基于有限元法的数字化建模在拇外翻研究中的应用

１ 足踝模型建立Ｔａｎｎｏｕｓ 等［６］ 在分析足踝在轴向冲击负荷下对损伤耐受能力的研究中引入了最早的足踝有限元模型，包括 ２８ 块骨、７ 条韧带、３ 条支持带、足底软组织及跟腱。建模后，模拟中立位和背屈位的轴向负荷，并将结果与以往文献的实验数据对比，进行模型验证。该实验结果有助于预测和评估组织损伤，显示了有限元法作为评估足踝复合体生物力学实用工具的巨大潜力。但是，该模型的缺点是缺少相关肌肉和关节软骨等。Ｍｏｒａｌｅｓ 等［７］建立足三维有限元模型，对足部肌腱进行力敏感性研究，以评估各肌腱的功能，展示肌腱的协同作用。该研究有助于理解外侧肌腱在足内翻外翻中的作用。该模型对肌腱进行精确模拟，为建立逼真拇外翻畸形模型提供指导，但缺少韧带、 关 节 软 骨 及 肌 肉 等， 无 法 测 量 肌 肉 力。Ｖｉｊａｙａｒａｇａｖａｎ 等［８］为研究在不同负荷下步态不同阶段的应力分布，建立了一个包括 ２６ 块骨、三角韧带、足底筋膜和跟腱等结构的有限元模型。同时，该模型可以通过改变材料属性用于拇外翻的研究。但是，该研究未验证模型有效性。以上研究均为正常足踝有限元建模的探究。研究表明，拇外翻畸形足有以下特点：① 第 １ 跖骨偏斜， 同时可伴有跖楔关节 松 弛， 跖 骨 头 抬 高。② 第 １ 跖列过度背侧偏移，丧失了大部分负重能力，导致其余跖骨负荷过重。③ 偏斜的第 １ 跖列不能作为足底屈肌推进的支点，第 ２ 跖骨起了第 １ 跖列的作用，承受压力增高。针对以上特点，可以对正常足踝模型做相应改变以建立拇外翻模型，例如：改变第 １ 跖骨角度使其偏斜，或改变跖楔关节周围软组织的刚度模拟跖楔关节松弛。还能利用上述第②、③ 两点，通过模拟步态对建立的拇外翻模型进行验证。２ 有限元模型在拇外翻研究中的应用现状２. １ 拇外翻畸形的生物力学机制研究作为最常见的前足畸形之一，拇外翻主要发生在中老年女性［９］。通常认为，拇外翻的发病与韧带松弛、 过 度 活 动 及 第 １ 跖 骨、 楔 骨 受 力 异 常 有关［９⁃１３］。另外，拇外翻还可能与某些外部因素有关，如常穿窄小的鞋等［１４］。Ｋｒｉｓｔｅｎ 等［１０］ 最先使用三维有限元模型模拟第 １ 跖骨，研究步态过程中第 １ 跖骨载荷分布。也有研究者建立足三维有限元模型，结合步态分析，通过降低足部韧带刚度，模拟第 １ 跖列松弛和过度活动对前足负荷传递的影响［１１，１３］。研究发现，第 １跖列过度活动导致跖楔关节受到的向内侧的力增大，使第 １ 跖骨偏离正常排列，从而导致跖骨内翻，并进展为拇外翻。随着力的持续作用，第 １ 跖骨偏斜，这种变形会形成拇外翻和前足外展的恶性循环，并有可能导致继发性扁平足等畸形问题。此外，Ｍｏｒａｌｅｓ 等［９］通过有限元建模，模拟第 １ 近节趾骨形状对拇外翻的影响，探究其是否为拇外翻畸形的潜在病因。结果表明，第 １ 近节趾骨内外侧长度不同，导致内外侧应力分布不均，从而引起其旋转、脱离解剖位置，构成拇外翻畸形的开始阶段。Ｙｕ 等［１４］对比了基于 ５ 名运动员和纳勒迪人化石建立的第 １ 跖趾关节有限元模型，结果显示，运动员组除 １ 人外，其余运动员第 １ 跖趾关节角度均增加，故认为拇外翻可能通过穿鞋发展起来［１４］。由此可见，先天或后天的韧带松弛、骨骼畸形甚至穿鞋，都可能是发生拇外翻的危险因素。Ｗｏｎｇ 等［１５］为检验外在负荷对骨结构的唯一影响，构建正常足和拇外翻足的有限元模型，进行拇外翻进展的研究。结果表明，相比于正常足，拇外翻足的负荷传递功能受损，关节受力方向异常，畸形角度在负荷下愈发严重。这是拇外翻加重的机制之一。Ｙｕ 等［１６］研究了脚和高跟鞋之间的相互作用，结果发现，穿高跟鞋时第 １ 跖趾关节承受的压力增大，会加快拇外翻的进展。Ｚｈａｎｇ 等［１２］ 分别建立正常足和重度拇外翻畸形足的三维有限元模型，对比研究两者在平衡站立时跖骨和跖趾关节的生物力学特性。该研究认为，拇外翻患者跖骨损伤和跖趾关节功能障碍的风险比正常人高，推测原因是拇外翻患者跖趾关节处的应力更加集中。

表 １ 总结了拇外翻畸形的生物力学机制研究。

２. ２ 拇外翻继发病变的有限元探究扁平足是拇外翻主要继发病变之一，但继发于拇外翻的扁平足的具体发生机制仍不清楚。目前针对拇外翻导致继发性扁平足的有限元相关模拟和探究鲜有报道。有研究认为，第 １ 跖列作为拇外翻畸形的主要改变结构，也是维持足内侧纵弓的关键部件，其结构改变可导致足弓塌陷［１７⁃１８］。而扁平足的主要结构异常同为内侧纵弓塌陷［１９］。通过有限元模拟能够充分了解继发于拇外翻的扁平足的具体演进机制。Ｐｏｒｔｉｌｌａ 等［２０］ 对扁平足进行有限元模拟分析步态，结果发现，降低足底筋膜硬度、破坏足弓完整性会导致腓骨长肌应力增加 ３ 倍以上。足弓失去有效支撑，变为扁平后进一步加重了腓骨长肌的负荷。该结论可指导拇外翻继发平足的治疗。当拇外翻患者出现继发的扁平足症状时，要尽早恢复足弓稳定性，以减轻肌腱受到的负荷，预防肌腱损伤。除扁平足外，跖骨痛也是拇外翻常见的继发病变。Ｇｅｎｇ 等［２１］研究表明，拇外翻矫正术中，第 １ 跖骨短缩小于 ６ ｍｍ 不会导致转移性跖骨痛；短缩大于 ６ ｍｍ 时，可能会引起转移性跖骨痛。若想进一步短缩跖骨而不引起跖骨痛，可尝试在术中将第 １跖骨远端向足底侧移位。

表 ２ 总结了拇外翻相关病变的有限元研究

２. ３ 拇外翻畸形手术治疗的有限元研究有限元模型也被用于拇外翻矫正术的评估及预后疗效的分析。Ｍａｔｚａｒｏｇｌｏｕ 等［２２］ 采用第 １ 跖骨二维有限元模型对 ６０°和 ９０°两种人字形截骨术进行研究，比较两种手术方案下骨的压力和剪切力。结果发现，相较于 ６０°截骨术，９０°人字形截骨术可以增强骨的机械结合，具有更强的促进骨结合的压力和较弱的使骨分开的剪切力，术后截骨处的结构更稳定。对于轻中度需要手术的拇外翻患者，９０°人字形截骨术效果优于 ６０°截骨术。Ｗｏｎｇ 等［２３］为探究第 １ 跖楔关节融合术后功能恢复情况和骨不愈合的 风 险， 利 用 磁 共 振 成 像（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ， ＭＲＩ）数据建立了三维有限元模型。结果表明，术后第 １ 跖骨应力增加，说明手术能恢复第 １ 跖骨的承重功能。但该研究未能得知是否会有不愈合风险。Ｍａｏ 等［２４］ 比较了拇外翻微创手术固定方法中 ３ 种不同材料的力学和稳定性，结果认为，玻璃纤维固定比克氏针和绷带固定稳定性更好，更有利于远端截骨处的愈合。Ｂｒｉｌａｋｉｓ 等［２５］建立拇外翻患者有限元模型，对比第 １跖骨截骨术使用或不用可吸收钉术后效果。结果显示，使用可吸收钉对截骨处愈合无明显影响，但能增加结构稳定性。 

表 ３ 总结了拇外翻畸形手术治疗有限元研究

近年来，人工智能、虚拟现实以及深度学习等概念的兴起，正对临床中各类疾病的研究产生影响。例如：深度学习工具已被引入到糖尿病足溃疡的诊断和分类的研究中［３１⁃３２］，也有研究将人工智能与髋 关 节 置 换 术 结 合， 进 行 术 前 智 能 精 准 规划［３３⁃３４］。同样，可以将有限元建模、人工智能及深度学习方法结合，使全自动化过程应用到拇外翻、扁平足等足踝畸形问题的研究中，从而提高解决临床问题的准确性和效率，这将是未来的研究方向。例如：可利用不同组织结构的最适材料属性参数、既往研究结果及大量肌肉脂肪皮肤等软组织的ＭＲＩ 数据训练深度学习模块，将该模块与有限元分析软件结合，即可实现全自动智能精准肌肉脂肪皮肤等组织建模和属性设置等操作，并且较人工操作误差更小。

参考文献：陈立翔,娄博,王焕.基于有限元法的数字化建模在拇外翻研究中的应用[J].医用生物力学,2022,37(05):972-977.DOI:10.16156/j.1004-7220.2022.05.031.

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