手腕部不同载荷状态下舟月骨间韧带应力分布分析

魏明杰， 许育健， 吴一芃， 王腾， 吴欢， 袁礼波， 唐文宝， 郭孝菊， 徐永清

1.昆明医科大学研究生院，昆明 650000； 2.中国人民解放军联勤保障部队第九二O医院骨科，昆明 650032 3.陆军军医大学研究生院，重庆 400000

在临床上，腕关节损伤是一种常见疾病，导致损伤的原因多数是腕骨间韧带损伤，而其中SLIL损伤更是较常见的韧带损伤之一。腕关节的解剖结构相对于其他关节更为复杂[1]。目前国内外针对腕关节韧带的解剖学和生物力学已有较多的研究，但关于腕关节韧带损伤机制的研究仍较少[2-5]。通过建立腕关节三维有限元模型以分析腕关节不同运动中腕关节韧带的受力情况，为研究其损伤机制提供参考。而本研究正是通过建立腕关节三维有限元模型模拟腕关节韧带损伤中较常见的SLIL在腕关节不同运动中受力情况，为阐明临床上SLIL损伤发生机制提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验对象

选取无手腕部外伤史和手术史，经影像学检查无骨折、畸形等异常情况的健康青年志愿者1名，并获得志愿者知情同意。

1.2 腕关节三维有限元模型的建立

1.2.1 三维实体模型的建立 本研究根据提供的CT扫描得到的图像导入到Mimics软件，在二维图像中进行组织的分割，分别得到各骨的实体模型以及SLIL（图1a、b）。再根据腕骨韧带的解剖结构并参考

图1 腕关节及SLIL有限元模型 a:腕骨模型 b:SLIL模型 c:腕骨及韧带模型d:模型整体的约束范围示意图Fig.1 Finite element model of the wrist and SLIL a:carpal model;b:SLIL model;c:carpal and ligament model;d:schematic diagram of theoverall constraint rangeof themodel

《桡骨远端骨折畸形愈合后腕关节的生物力学变化》，参考文中腕关节坐标系统建立腕部韧带结构，具体方法是：Z轴设置为正常桡骨的中轴，X轴为通过桡骨茎突和尺骨茎突的连线，Y轴为通过二者在桡腕关节面的交点做X-Z平面的垂线[6]。按照人体解剖结构，由经验丰富的骨科医师和软件工程师参考腕骨及腕关节韧带的解剖[6]一起应用Mimics19.0软件手动绘制腕骨间韧带以及掌侧和背侧等部位的主要韧带模型结构，并导入GeomagicStudio 2015进行光顺，然后导出STP文件。将STP文件导入hypermesh14.0对模型进行网格化，得到SLIL及其邻近腕骨的整体的有限元模型（1c），总节点数61552，总单元数311559。骨骼、软骨、韧带单元类型均为：C3D4。

1.2.2 骨组织的材料属性 人体腕关节结构复杂、组织众多，除骨骼外，还有韧带、软骨、肌肉、肌腱等。本研究重点为静态载荷下腕舟骨的受力情况(主要为舟、月骨与桡骨接 触面的接触应力分布情况)，同时从减少计算量的角度，参考部分学者的方法[7]，模型中仅考虑了骨骼、软骨、关节盘以及韧带材料。为了对结果进行有效的验证，腕关节内各结构的力学材料属性均取既往文献[8]。模型的材料属性一般来讲,生物组织属于各向异性的非线性体。由于相关的力学实验和基础研究尚不能准确提供各种组织的本构方程,骨和软骨组织有限元分析在生物力学领域的应用大多建立在各向同性,均质连续的线弹性体的假设前提下。本文主要为研究SLIL在腕关节运动过程中的应力变化情况，故假设腕部骨骼和关节软骨均为各向同性均匀的线弹性材料,并将骨骼单元的弹性模量统一设置为1 000 MPa,泊松比0.3；软骨的杨氏模量和泊松比分别取10 MPa和0.45；关节盘的杨氏模量和泊松比分别取294 MPa和0.4（见表1）。

表1 骨、软骨、关节盘材料力学属性Tab.1 Mechanical properties of bone,cartilage,and articular disc materials

表2 韧带材料力学属性Tab.2 Mechanical properties of ligament materials

边界条件定义如下：模型（图1d）中桡骨的近端在x、y、z，3个方向上完全约束，即保持桡骨近端无位移，腕关节面设定滑动接触对，其他接触均定义为绑定。

1.2.3 载荷加载方式 对腕关节不同运动方向进行载荷加载，如图2，腕关节背伸载荷加载，即在腕骨上绕X轴分别加载-30°、-60°、-90°的角位移；腕关节掌屈载荷加载，即在腕骨上绕X轴分别加载30°、60°、90°的角位移；腕关节尺偏载荷加载，即在腕骨上绕Y轴加载-25°的角位移；腕关节桡偏载荷加载，即在腕骨上绕Y轴加载25°的角位移；腕关节横向桡侧及尺侧受力载荷加载，即在尺侧受力载荷：在腕骨上沿X轴方向施加20 N的横向载荷；桡侧受力载荷，即在腕骨上沿X轴方向施加-20 N的横向载荷。

图2 腕关节不同运动方向载荷加载a:背伸载荷加载b:掌曲载荷加载c:尺偏载荷加载 d:桡偏载荷加载e:横向桡侧及尺侧受力载荷加载f:桡侧受力载荷Fig.2 Load loading of the wrist in different directions of movement a:back extension load;b:palm curve load;c:ruler load loading;d:radial load;e:lateral radial and ulnar loads;f:radial load

2 结果

2.1 腕关节三维有限元模型的有效性验证

既往腕关节生物力学实验主要为动态载荷下测量SLIL的最大拉伸力，而本模型主要为静态载荷下研究SLIL所受应力，为对比验证本模型有效性，仅将SLIL所受应力峰值进行对比。本研究中在腕关节背伸90°时SLIL所受应力最大1.4 MPa（约140 N）。Shin等[9]研究报道SLIL极限载荷(185.3±87.0)N。李秀忠等[10]研究报道，SLIL背侧亚区极限载荷(170.2±35.1)N，掌侧亚区极限载荷(193.1±42.3)N，两者比较差异无统计学意义。如表3，通过与上述生物力学实验结果对比，本研究所得SLIL背伸90°时最大应力1.4 MPa（约140 N），与生物力学实验所得SLIL极限载荷下断裂所受应力峰值较为接近，从而验证本模型的有效性。

表3 本模型实验结果与既往生物力学实验结果对比（±s）Tab.3 Comparison of experimental results of this model with previous biomechanical experimental results（Mean±SD）

表3 本模型实验结果与既往生物力学实验结果对比（±s）Tab.3 Comparison of experimental results of this model with previous biomechanical experimental results（Mean±SD）

SLIL应力峰值SLIL peak stress本研究Shin等研究李秀忠等研究1.4 MPa（约140N）185.3±87 N背侧亚区Dorsal subregion 170.2±35.1N掌侧亚区Volar subregion 193.1±42.3N

2.2 腕关节背伸30°、60°、90°时的SLIL应力分布

腕关节做背伸动作时，由于舟骨和月骨的相对运动使得SLIL的应力也产生变化，当背伸角度为30°时，SLIL受到的最大应力为0.2439 MPa；背伸角度增加到60°时，SLIL受到的最大应力增加了4倍，达到0.9906 MPa；背伸角度增加到90°时，SLIL的最大应力增加了接近5.6倍，达到1.3787 MPa。说明SLIL的应力随着背伸幅度的增加而增加，但是当背伸幅度超过60°后，应力的增加幅度也逐步变缓（图3～5、图9）。

图3 腕关节背伸30°时的SLIL应力分布 图4 腕关节背伸60°时的SLIL应力分布 图5 腕关节背伸90°时的SLIL应力分布 a:侧面 b:侧面c:掌侧面d:背侧面Fig.3 Stress distribution of the SLIL at 30°wrist dorsiflexion Fig.4 Stress distribution of the SLIL at 60°wrist dorsiflexion Fig.5 Stress distribution of the SLIL at 90°wrist dorsiflexion a:lateral view;b:lateral view;c:palm lateral view;d:dorsal lateral view

2.3 腕关节掌屈30°、60°、90°时的SLIL应力分布

腕关节做掌屈动作时，由舟骨和月骨的相对运动使SLIL的受力产生变化，当掌屈角度为30°时，SLIL受到的最大应力为0.1596 Mpa，掌屈角度增加到60°时，SLIL受到的最大应力为0.1594 Mpa，基本没有变化，掌屈角度增加到90°时，SLIL的最大应力增加到了0.2452 Mpa。说明SLIL随着掌屈幅度的增加所受应力的变化不大，掌屈30°到60°的SLIL所受最大应力变化基本一致，但是当掌屈幅度超过60°后，随着掌屈幅度的增加，SLIL所受应力才逐步增大（图6～8，表4,图9）。

图6 腕关节掌屈30°时的SLIL应力分布 图7 腕关节掌屈60°时的SLIL应力分布 图8 腕关节掌屈90°时的SLIL应力分布 a:侧面 b:侧面c:掌侧面d:背侧面Fig.6 Stress distribution of the SLIL at 30°wrist flexion;Fig.7 Stress distribution of the SLIL at 60°wrist flexion;Fig.8 Stress distribution of the SLIL at 90°wrist flexion a:lateral view;b:lateral view;c:palm lateral view;d:dorsal lateral view

图9 背伸和掌屈状态下SLIL应力数据对比Fig.9 Comparison of stress data of the SLIL under dorsiflexion and palmar flexion

表4 背伸和掌屈状态下SLIL应力数据对比（MPa）Tab.4 Comparison of stress data of the SLIL under dorsiflexion and palmar flexion(MPa)

2.4 腕关节尺桡偏25°时的SLIL应力分布

腕关节做尺偏、桡偏动作时，由于舟骨和月骨的相对运动不同，SLIL的受力情况也不尽相同，当桡偏25°时，SLIL受到的最大应力为0.8145 Mpa，尺偏25°时，SLIL受到的最大应力则为0.1356 Mpa。说明腕关节在做尺偏、桡偏动作时，相同偏转角度下，SLIL桡偏时最大应力是尺偏时最大应力的6倍左右，桡偏状态时SLIL的受力相较于尺偏会更加明显（图10，11）。

图10 腕关节尺偏25°时的SLIL应力分布 图11 腕关节桡偏25°时的SLIL应力分布a:侧面 b:侧面c:掌侧面d:背侧面Fig.10 Stress distribution of the SLIL at 25°ulnar deviation of the wrist Fig.11 Stress distribution of the SLIL at 25°radial deviation of the wrist a:lateral view;b:lateral view;c:palm lateral view;d:dorsal lateral view

2.5 腕关节横向桡侧及尺侧受力时的SLIL应力分布

腕关节做桡侧受力20 N时，SLIL受到的最大应力为0.4465 MPa，尺侧受力20 N时，SLIL受到的最大应力为0.4635 MPa。说明腕关节在尺侧、桡侧受20 N载荷的状态下，SLIL所受的最大应力相差在0.017 MPa左右，基本一致（图12，13）。

图12 腕关节尺侧受力20N时的SLIL应力分布 图13 腕关节桡侧受力20N时的SLIL应力分布a:侧面 b:侧面c:掌侧面d:背侧面Fig.12 Stress distribution of the SLIL at ulnar force of the wrist at 20N；Fig.13 Stress distribution of the SLIL at radial force of wrist joint at 20N a:lateral view;b:lateral view;c:palm lateral view;d:dorsal lateral view

3 讨论

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算。1972年，Rybicki等[11]将有限元分析方法引入骨科领域。因髋关节、膝关节等解剖结构及力学传导相对腕关节和膝关节等小关节相对简单，因此利用有限元分析方法较多应用于髋关节、膝关节等大关节中。目前因腕关节解剖学上的复杂性及腕骨力学传导的特殊性，腕关节生物力学研究方面应用较少[12～14]。Gíslason等[15]通过构建人体腕关节三维有限元模型，提出了怎样构建一个稳定的腕关节三维有限元模型，文中描述韧带需使用超弹性材料分析，这与本模型定义韧带为超弹性材料一致。Gíslason通过对整体骨块和韧带及软骨的约束说明，从而验证整体模型的构建是否合理，而本模型的分析是从局部位出发点考虑，不做其他韧带联动的情况下，添加局部约束，最后得出SLIL的受力情况。本模型在数据提取方面，骨骼的重建主要通过CT数据以Dicom格式输出，经仔细对照与鉴

别确定其无手腕部疾患后导入Mimics软件中，调整CT图像阈值以选择全部骨组织，并经过区域增长、三维建模及表面光滑处理后，完成手腕部骨组织粗糙模型的重建。而韧带的重建主要是按照人体解剖结构，由经验丰富的骨科医师和软件工程师参考腕骨及腕关节韧带的解剖[6]一起应用Mimics19.0软件手动绘制腕骨间韧带以及掌侧和背侧等部位的主要韧带模型结构。再将全部数据以点云格式输出，并导入GeomagicStudio 2015进行光顺，然后导出STP文件。将STP文件导入hypermesh14.0对模型进行网格化，得到SLIL及其邻近腕骨的整体的有限元模型。已有相关文献报道[8,16]利用本模型所用方法重建腕关节骨骼及韧带三维有限元模型，说明本模型构建的合理性。有研究表明[17]在腕关节极度背伸过程中极易损伤SLIL，与本研究中所得在腕关节背伸过程中SLIL应力最大这一结论相符合，故结合这两点可说明本模型构建的有效性。

腕关节不稳是临床腕关节常见疾病之一，已有相关研究显示SLIL损伤是导致腕关节不稳的常见原因[18,19]。而本研究目的是基于Mimics软件建立腕关节三维有限元模型来探索研究腕关节SLIL在腕部不同运动中的应力分布，通过有限元模型模拟腕关节在背伸、掌屈、尺桡偏及腕关节尺桡侧受力时SLIL受力情况，为后期三维重建腕关节韧带生物力学分析提供一定的参考。SLIL连接于舟骨和月骨之间，对维持舟骨月骨正常位置起到至关重要的作用[20]。已有相关生物力学研究表明，SLIL的最大拉伸力和刚度在腕骨间韧带中是相对较小的，在腕骨的运动中舟骨相对于月骨的运动幅度明显较大，这也符合了SLIL最大拉伸力较小，在腕关节极度背伸中容易损伤[17]。在人体摔倒的过程，手掌伸直腕关节背伸尺偏是一种习惯性姿势，本研究显示腕关节做背伸动作时，由于舟骨和月骨的相对运动使得SLIL的应力也产生变化，如、图3～5和图9所示，当背伸角度从30°递增到90°过程中，SLIL的应力随着背伸幅度的增加而增加，当背伸角度在30°～60°间时随着背伸角度增加，SLIL所受应力增加最快，当背伸角度为30°时，SLIL所受应力为0.2439 MPa，当背伸角度急剧增加到60°时，SLIL所受应力为0.9906 MPa，SLIL所受应力增大了4倍，而当背伸角度60°～90°时，SLIL所受应力增加幅度减缓，当背伸角度达到90°时SLIL受到的应力最大，相对于30°增加了近5.6倍。说明当腕关节在背伸过程中可SLIL所受应力变化规律是由在60°前急剧增加，之后增加较缓慢，至极度背伸的情况下（背伸90°）SLIL受到的应力是最大的。而SLIL相对薄弱，导致在这种极度背伸的过程中极易发生损伤或断裂。如图6～9所示，在腕关节掌屈过程中SLIL所受应力较小，且增加幅度基本较缓和。故本实验研究结果正好符合临床患者SLIL损伤较多发生在受伤至腕关节极度背伸过程中，而掌屈时较少发生SLIL损伤，从一定程度上反映本模型的有效性。如图10～11和表4所示当腕关节桡偏25°时，SLIL受到的最大应力为0.8145 MPa；尺偏25°时，SLIL受到的最大应力则为0.1356 MPa。相同偏转角度下，SLIL桡偏时最大应力是尺偏时最大应力的6倍左右。本组结果说明在摔倒过程中，手掌着地，腕关节极度背伸伴桡偏时SLIL所受应力最大。这也是导致SLIL损伤同时伴有舟骨骨折的原因[21]。如图12～13结果所示，腕关节尺侧受力和桡侧受力时SLIL所受应力基本一致，说明在腕关节损伤过程中，腕关节向桡侧或尺侧位移对SLIL产生相同的应力。

相关研究显示[22]腕关节常见损伤形式为舟月不稳定，舟月不稳定常见因素是SLIL损伤，SLIL损伤机制常是摔倒时腕关节极度背伸导致，这与本研究结果显示的腕关节背伸桡偏过程中SLIL所受应力逐渐增大，至极度背伸时达到最大应力相一致。

因腕关节解剖结构复杂性，腕关节骨骼运动三维有限元分析已有相关研究证实其有效性，但目前国内外对其韧带生物力学研究仍处于动物实验阶段[8,16]。本研究通过构建腕关节有限元模型模拟腕关节不同运动中SLIL受力情况。研究所得结果可为临床SLIL损伤机制提供一定的理论基础，同时为后期临床进一步研究腕关节韧带生物力学分析三维有限元模型提供一定的理论参考。

本研究的不足之处：第一，已有研究显示SLIL由掌侧、背侧、近侧3部分组成[2～5]。而本研究未细致的根据该韧带的3个亚区进行各个部分生物力学测量。第二，本研究只进行了数个特殊角度及受力情况下SLIL受力情况，而现实中腕关节是连续的活动，且腕关节损伤过程中是多方面复杂因素导致的，本研究只进行SLIL单独生物力学测定，与现实情况可能存在一定差异。在今后的研究中，可以添加完善腕关节其他韧带、肌肉等组织使其更接近人体真实情况，更深入研究腕关节韧带生物力学。