基于解剖数据的数字虚拟与数控模拟技术相结合行踝关节运动学特性的研究

The incidence of ankle osteoarthritis is 1%. Total ankle replacement is an important operative procedure for end-stage ankle osteoarthritis. Our country has a population of more than 1.3 billion, the clinical demand is huge. The 10-year survival rate of total ankle prosthesis is only 70%.The risks of surgeon and patient are both high. The basic reason is the anatomical and kinematics characteristics of normal ankle is not clear. But these data are very important for prosthesis design and update. The only upright-walking features lead to complex biomechanics of the ankle and there is not any animal model can simulate the normal gait cycle of human. This project want to integrate the anatomical data and 3D reconstructed model with 3D finite element model based on the result of project 30801161. With the method, we can study the anatomical characteristics of normal ankle, radius of curvature of talus, instantaneous center of rotation of talus, joint contact area and stress changes of ankle. Biplanar fluoroscopy matching technology and 4D 6-Freedom ankle simulate system can measure the kinematics characteristics of normal ankle. So we can analysis the coordination control mechanism of bone-ligament-muscle complexity. So we can study the law of interaction between stress changes and mechanical center trajectory of ankle joint. We will gain theories necessarily for ankle prosthesis design and improvement.

踝关节骨关节炎发病率为1%，人工踝关节置换术是治疗晚期踝关节骨关节炎的重要手段。我国人口超过13亿，临床需求巨大，但目前假体10年生存率只有70%，医患面临风险较高。其根本原因在于：唯一直立行走的特性导致踝关节生物力学复杂、没有动物模型可复制、假体设计必需的踝关节功能解剖学与运动学参数不明确。本项目拟基于青年基金项目(30801161)的结果，将解剖学数据、CT扫描立体模型与三维有限元模型结合，研究踝关节的骨性与韧带解剖学数据、距骨曲率半径、距骨瞬时旋转中心轨迹、关节接触面积与应力变化等功能解剖学参数；双平面透视匹配技术与“四维六自由度足踝数控模拟系统“结合，实现踝关节正常步态周期的匹配重建和运动学参数测量。进而分析步态周期中踝关节骨骼-关节-韧带-肌肉系统之间的协调控制机理、关节接触面积-力学变化-力学中心轨迹之间的动态偶联机制与规律、为适用于国人的人工踝关节假体设计、优化提供理论支持。

踝关节周围生物力学，特别是胫距关节面的应力分布及其影响因素是临床诊治踝关节周围疾病的理论基础，也是设计人工踝关节假体的前提条件。为提高临床诊治水平，本项目按照项目计划要求，主要研究内容包括利用“四维六自由度足踝数控模拟系统”，测量了足部小关节在人体步态周期中的运动，实现人体踝关节正常步态周期体外模拟，研究了踝周肌肉对踝关节位置，应力分布、应力变化的控制机制与力学偶联机理；通过双平面透视技术进行病理条件下和正常条件踝关节运动学比较与分析，发现了踝关节不同状态下的运动学改变机制，采用三维有限元方法，研究踝关节胫骨关节面的受力分布与踝关节所受暴力的关系；并在原项目计划目标基础上，我们研究了踝关节暴力损伤的特点，包括后踝骨折的CT影像学特征，后踝骨折的生物力学发生机制，同时设计搭建新的踝关节骨折生物力学加载平台。主要研究结果主要：1.通过对踝关节中的后踝骨折CT影像学特征研究，发现后踝骨折块高度（H）与骨折块面积(S)及面积占比(FAR)有明显的正相关性，骨折块高度越大，累及面积也增大，骨折块面积占关节面总面积的比例也随之增大。 “Die-punch”的出现往往意味着更高能量的暴力损伤。通过此项研究，可进一步揭示踝关节骨折的发生机制，指导临床实践，提高临床对该类型骨折的诊疗水平；同时，该项研究也为进一步模拟踝关节骨折的发生提供了前期经验，并为进一步加载平台的建立提供了理论基础。2. 利用双平面透视匹配技术与“四维六自由度足踝数控模拟系统”结合，研究了生理条件和病理条件下踝关节运动学数据，并结合踝关节不同生理病理条件，研究了足部小关节，特别是距下关节在人体步态周期中的运动，实现踝关节正常步态周期的匹配重建和运动学参数测量。通过本项研究，获得了踝关节不同状态下的运动学数据，了解了在步态周期中踝周肌肉力与踝关节运动的力学偶联机制，为解决踝关节周围疾病的发生发展等方面的问题提供了理论支撑。