舞蹈演员跖趾关节炎发生机制的有限元分析*

徐志庆，刘云鹏，华国军，李坤，王星亮

（中国人民解放军第一〇一医院 骨科，江苏 无锡 214000）

跖趾关节炎在临床上很常见，是引起前足疼痛和肿胀的主要原因之一，多见于50岁以上的妇女。跖趾关节炎常由跖趾关节处的韧带、软骨等组织反复劳损引起，症状主要表现为行走及运动时前足的肿胀、疼痛，严重者常伴有骨赘增生、关节面破坏等表现，严重影响患者的日常生活[1]。在舞蹈演员中关于跖趾关节炎的报道很多，而且患者年龄明显年轻化，跖趾关节炎的发生大大缩短舞蹈演员的职业寿命[2]。传统的骨科力学实验由于人体的多样性及伦理学的限制，加上足踝关节几何结构和运动方式的多样性，大大限制足踝关节生物力学方面的研究。随着有限元理论和计算机技术的不断发展，人们开始大量使用有限元模型来分析复杂的受力情况。有限元分析方法通过采集CT、MRI等影像资料，建立和实体高度相似的模型，简便而快捷；计算机模型分析可以准确控制实验条件，模拟人体内部复杂的生物力学环境，完成其他研究方法所不能实现的约束条件和加载方式，得到活体实验所难以获得的研究结果。因此本实验通过建立精确、完整的全足有限元模型，模拟舞蹈演员踮脚站立的工况并进行应力分析，采用有限元分析的方法对舞蹈演员多发跖趾关节炎的生物力学机制进行研究。

1 资料与方法

1.1 一般研究

研究对象为1例健康女性志愿者。年龄26岁，身高160 cm，体重50 kg，实验前使用3个定制石膏托将研究对象的右足固定在中立位，跖屈20°，跖屈40°，然后分别拍全足的CT图像，得到3组原始数据。该健康志愿者既往无踝关节损伤、无肿瘤、畸形等情况，CT扫描参数为层厚1 mm，间隔1 mm。扫描过程中，研究对象的全足始终保持无负重中立位。

1.2 模型构建

将CT图像数据导入Mimcis 15.0软件中，采用软件自带的3D Live Wire功能，分别重建出中立位，跖屈20°，跖屈40°状态下的全足骨性模型，全足骨性模型包括下段胫腓骨、距骨、跟骨、舟状骨、楔骨、骰骨、跖骨及各节趾骨。然后将全足骨性模型导入Hyperwork 13.0中，对模型进行细化，网格优化等处理，最后形成三维实体模型。

1.3 材料参数

通常生物组织在载荷的作用下会发生非线性形变，该类组织材料的基础研究难度大，力学实验不易获得精确参数。为方便研究，目前生物力学有限元仿真分析大多建立在各向同性、均质连续的线弹性体的假设前提下。故本文除软组织等部分外，其他组织材料均近似为线弹性材料，相关材料的参数参考相关文献[3-5]，见表 1。

表1 材料属性

1.4 载荷参数及边界条件

载荷参数：人体站立时，足部骨骼-软组织系统之间的相互作用非常复杂，依据载荷和地面反作用力等效互换原理，单足站立平衡时受力约500 N，本研究采用以集中应力向上施加在支撑地面，胫腓骨上表面完全约束的方法来进行试验。将中立位，跖屈20°，跖屈40°状态下的全足模型分别进行静止站立试验分析，得到舞蹈演员在3个角度下单足站立时全足的应力分布情况。关节面之间建立接触对，摩擦系数为0.01[6]。见图 1。

图1 3个不同角度的有限元计算模型

2 结果

分别建立中立位，跖屈20°，跖屈40°，3个不同角度的全足三维有限元模型，其形态还原性好，重建效果理想，可获得全足详细，满意的三维信息。随着踮脚角度的增加，第2和第3跖趾关节处的应力值迅速增大，尤其是第2、3近节趾骨的最大应力值增加最快。见图2、3和表2。

图2 全足在不同角度静止站立时Von Mises应力分布情况

图3 不同模型中应力值变化趋势图

表2 后足踩地过程中足底与地面各个角度下跖趾关节的受力情况 MPa

3 讨论

跖趾关节作为足部第2大关节，一直以来都被人们在研究中所忽略，但下肢运动的最终发生必定是在跖趾关节，跖趾关节对足部运动的作用不容忽视[7]。现阶段，人们已经开始重新审视跖趾关节在人体运动中所起的作用，包括如何有效地训练跖趾关节，改善关节能量学特征和肌肉活化模式，并最终提高足部的运动能力[8]。依据舞蹈演员踮脚站立时的力传导方式，本研究模拟中立位，跖屈20°及跖屈40°时刻舞蹈演员静止站立时全足的受力情况，通过相关分析比较，得到跖趾关节在不同状态下的生物力学数据，更直观详尽地了解舞蹈演员多发跖趾关节炎的原因。研究显示站立平衡时随着踮脚角度的增加，前足应力向跖趾关节集中，其中第2，3足趾的应力变化最大，第2跖骨的最大应力值从4.77 MPa增加到34.61 MPa，第2近节趾骨的最大应力值从2.38MP a增加到166.40 MPa，第3跖骨的最大应力值从4.53 MPa增加到30.21 MPa，第3近节趾骨的最大应力值从2.19 MPa增加到157.80 MPa，这与以往文献中舞蹈演员常见第2，3跖趾关节炎的报道相符[9-11]。

从生物力学的角度来看，关节软骨的功能主要是承受力学负荷，分散载荷以减少接触应力，从而起到润滑关节的作用。关节软骨承受持续性较重负荷时，可引起大量的水分从组织中丢失，产生较大的压力性变形。这种长时间的超负荷，会造成关节软骨发生蜕变和软骨细胞的坏死。同时，长时间承受大负荷会使软骨的表面层变软，渗透压增加，从而造成软骨液膜中液体的大量流失，增加软骨面紧密接触的面积，进一步加剧了软骨研磨的过程[12]。舞蹈演员的跖趾关节长期进行着超负荷的工作，其应力集中区域的关节软骨磨损大大加快，从而造成跖趾关节的不稳，引起临床症状。在踮脚站立的过程中，舞蹈演员随着踮脚度数的增加，跖趾关节处的应力值急剧增大，因此充分的热身对于预防跖趾关节的损伤显得尤其必要。此外，鉴于舞蹈演员踮脚时跖趾关节的应力变化特点，平时在训练时可以采用斜角杠铃器、卧蹬训练器等专门跖趾关节训练器来强化锻炼第2，3跖趾关节处的肌肉，从而分散集中的应力。为了延长舞蹈演员的职业寿命，根据踮脚站立时的应力分布结果，笔者在设计舞鞋时不仅要考虑舒适性，更要着重考虑研发对第2、3跖趾关节进行适度应力分散的保护措施。一双真正适合舞蹈演员的舞鞋既不会改变前足的易屈伸性，又能辅助分散集中的应力，从而在损伤防护和运动表现两方面发挥出最大功效。

目前对跖趾关节的研究虽然较以往取得很大的进展，但仍然存在不足。本研究建立的全足三维有限元模型，能较为真实的模拟足踝复杂的解剖结构，为进一步的足踝生物力学研究提供了基础平台。