数字化踝关节三维仿真模型的建立及应用研究

我们前期已使用数字化技术做了大量足踝部可视化及有限元建模研究，证实了踝关节稳定性依赖于完整的骨与韧带及良好的位置关系。怎样利用数字化技术提高临床操作水平？不同损伤对踝关节稳定性造成怎样影响？我们随之对临床部分疾患进行了手术模拟及手术导向模板设计，初步显示效果良好；建立的有限元模型经验证可进一步用于其损伤研究。回顾文献我们认为下胫腓联合分离、距骨骨折不同处理方式及后踝骨折大小对病情预后具有重要影响。为此，本项目拟通过尸体标本力学实验获得国人踝关节周围韧带、肌腱及肌肉等组织的材料属性，建立广泛应用于踝关节研究的数字化平台，同时与尸体标本进行相同加载条件下的力学实验。通过对比与分析，明确不同处理方式的优劣，为手术方式改进、各种固定器材评价与优化、制定踝关节损伤的标准化治疗方案提供依据；并通过对各种损伤仿真手术模拟，结合力反馈系统，进行手术演示及手术训练，为足踝外科临床培训提供一个可视化教学平台。

本课题的主要研究内容包括测定正常踝关节周围组织参数，建立相关数据库；构建标准的数字化踝关节模型并对其有效性进行验证；探讨下胫腓联合损伤、踝关节融合等有效的手术固定方式；研究踝关节周围韧带损伤对踝关节稳定性的影响。.本课题通过对正常人足踝部有限元模型的构建研究建立了可靠的正常人体足踝部的三维有限元模型。通过进行不同载荷对正常踝关节影响的有限元研究，发现距腓前韧带为承受载荷的主要装置并同时获得了各种载荷下各关节的接触力及各骨与关节的活动度。通过对正常步态下距骨三维有限元模型的建立及应力分析研究提供了正常步态下距骨的相关生物力学特性。通过对下胫腓联合分离单螺钉固定的有限元分析发现，下胫腓联合分离用4.5 mm螺钉距踝关节平面2 cm穿越4层骨皮质固定,可以取得较好生物力学稳定性。通过研究下胫腓联合螺钉位置对踝关节应力分布影响的有限元分析发现，相对于正常踝关节, 踝上2.5cm、5.0cm螺钉固定后均导致踝周韧带的应力降低、承受载荷量减少，而小腿骨间膜应力增高，但两者差异不明显。通过对腓骨支撑踝关节融合进行三维有限元分析发现，踝关节行腓骨支撑固定融合时，应注意合理放置2枚交叉螺钉，避免应力过分集中，而内固定后应加强抗背屈方向的制动；在处理外侧支撑腓骨时，螺钉钉孔应避免靠近腓骨边缘且上下钉距不宜过大，可有效降低内固定失效的风险。通过比较踝关节融合的两种术式发现，在正常骨质条件下建议首选3螺钉固定；而腓骨支撑固定适用于骨质条件较差的患者。通过双螺钉内固定行距下关节融合后初稳性的分析发现，距骨颈联合前外侧顶双钉模型是距下关节融合最优的选择；而距骨颈联合后内侧顶双钉模型进行距下关节融合后稳定性最差。通过探讨骨密度对距下关节融合初稳性影响发现，距骨颈联合前外侧顶双钉模型对于正常或疏松骨质的距下关节融合都具有最好的稳定性，是距下关节融合最优的选择。通过模拟踝关节周围韧带损伤对距骨稳定性影响的有限元分析发现，在外旋作用力下胫距后韧带对踝关节的稳定性具有重要作用，而在内旋作用力下跟腓韧带对踝关节的稳定性具有重要作用。.本课题基本按照预期计划完成。