李笑予, 张磊, 付磊, 李东波, 汪国友*
西南医科大学附属中医医院骨伤科,四川 泸州 646000
跟骨骨折是跗骨骨折中最常见的骨折类型,约占全身骨折的2%[1],不论是选择保守治疗还是手术[2,3],精准复位为其核心[4]。中医正骨手法在骨伤疾病诊治中有不可或缺的作用,具有操作简便、收费低廉、对骨折周围软组织及血运破坏小等优点[5]。结合临床经验,对于闭合型Sanders Ⅱ型跟骨关节内骨折,三步接骨法配合石膏固定或小夹板外固定是简便有效的治疗方案,其复位顺序大致为:拔伸牵引、提按顶复、端挤捏骨。三步接骨法临床疗效佳,但既往由于缺乏可视化的观察研究,难以对其有效性及安全性进行客观评价。有限元分析是一种使用数学过程的结构分析方法,可通过非侵入性的生物力学对手法进行研究,弥补整复效果评价主观性较强的不足,并为临床医生提供手法指导。目前,该方法多应用于推拿治疗的分析,而对正骨的研究较少。本研究基于前期的临床观察,采用有限元分析对三步接骨法治疗SandersⅡ型跟骨骨折进行探究,模拟不同手法作用的复位情况,客观验证该手法的有效性及科学性,促进其应用和推广。
选取1 名健康成年男性志愿者,排除足部疾病与畸形。志愿者对实验步骤知情同意,伦理批准文号BY2022018。
1.2.1 初始图像采集 图像采集由本院经验较丰富的CT 技师完成,采用SIEMENS Definition Edge 64 排螺旋CT(西门子公司,德国)获取数据,扫描间距0.75 mm,共376 张CT 图像,图像存储格式为DICOM,刻录于光盘中。
1.2.2 正常足踝模型与Sanders Ⅱ型骨折模型建立使用三维重建软件Mimics 21.0(Materialise 公司,比利时)对足踝CT 图像进行骨性结构分离,初步建立足部模型,储为STL 文件。将文件导入Geomagic Warp 2021(Geomagic 公司,美国)进行网格修复、模型光滑、皮质骨及松质骨划分。再使用Solidworks 2018(达索SIMULIA 公司,美国)对骨块进行组合装配及足部软骨绘制,完成正常足部实体模型的构建。依据跟骨骨折Sanders Ⅱ分型特点[6],以30°半冠状面为基准面,在后距关节面最宽处从外向内标识A、B、C 三等分点,通过绘制穿过A、B、C 点的曲线,对跟骨骨块及部分软骨进行整体切割,并做适当位移,构建Sanders II A、Sanders II B、Sanders II C 型骨折模型(图1)。同时,人体韧带具有维持关节稳定性的作用,为更好地模拟足踝实际情况,在ANSYS 软件中(Ansys公司,美国),确定韧带解剖位置,使用“spring 单元”模拟韧带(表2),韧带刚度参考文献[7,8],最终完成骨折模型构建(图2)。
图1 Sanders II 型跟骨骨折模型示意图a:Sanders II A 型 b:Sanders II B 型 c:Sanders II C 型Fig.1 Schematic diagram of Sanders type II calcaneal fracture model. a: Sanders type II A model; b: Sanders type II B model; c: Sanders type II C model.
图2 建模流程图a:足部CT 图像采集 b:CT 数据提取(Mimics21.0)c:足部实体模型优化与光滑(Geomagic Studio 2021)d:模型装配(Solidworks 2018)e:有限元整体模型建立(Ansys Workbench19.2)Fig.2 Modeling flow chart. a: Acquisition of foot CT images; b: Extraction of CT data (Mimics21.0); c: Optimization and smoothing of foot solid model (Geomagic Studio 2021); d: Assembly of model (Solidworks 2018); e: Establishment of finite element integral model (Ansys Workbench19.2).
1.2.3 材料属性 本模型所涉及材料的力学特性均为均质和各向同性,材料的赋值依据目前认可的研究数据及相关文献,设定各材料特性参数如表1~2。定义皮质骨与松质骨的接触为“Bonded”,皮质骨和软骨的接触为“No Separation”。
表1 单元类型及材料属性[9]Tab.1 Element types and material properties[9]
表2 足踝部韧带刚度(N/mm)[7,8]Tab.2 Stiffness value of ankle ligaments (N/mm)[7,8]
1.2.4 约束与载荷 首先对正常足踝有限元模型进行有效性验证。参考Anderson 等[10]的方法,根据实际情况,约束跟骨X、Y、Z 轴方向和舟骨X、Z 方向的自由度,于胫腓骨上截面施加600 N 垂直载荷,模拟踝关节中立位工况。再对Sanders II A/B/C 型骨折模型进行手法复位的加载,约束胫腓骨上端,进行分布位移载荷(图3):第1 步在跟骨断端加载1 个Y 方向2 mm 位移载荷,模拟拔伸牵引手法;第2 步在跟骨断端加载1 个Z 方向1 mm、1 个负Y 方向2 mm 位移载荷,模拟提按顶复手法;第3 步在跟骨断端加载1 个负X方向2 mm 位移载荷,模拟端挤捏骨手法。
图3 Sanders ⅡB 型跟骨骨折模拟手法复位a:模拟拔伸牵引b:模拟提按顶复c:模拟端挤捏骨▲代表边界条件Fig.3 Simulated manipulative reduction of Sanders type II B calcaneal fracture. a: Simulation of traction and extension techniques; b: Simulation of lifting and pressing techniques; c: Simulation of pinching and joining techniques; ▲represented boundary conditions.
建立了正常足部模型与Sanders II A/B/C 型跟骨骨折有限元模型,解剖结构清楚,模型平滑,四面体单元数目多,单元大小适中,正常模型节点总数534570,单元总数322444。正常模型沿力线垂直施加600 N 轴向力后,计算得出胫骨下穹隆关节接触面积为479.18 mm2,最大接触应力为3.10 Mpa,与Anderson 等[10]实验结果对比基本一致,证明该模型有效。
模拟三步接骨法进行加载后骨折实现有效复位(图4,5),复位流程逼真,并成功进行了力的求解(表3)。将Sanders II 型3 种骨折同类复位手法的力学数据汇总,求解每步手法的力学趋势(图6)。发现:拔伸牵引法主要施力于Y 轴,致力于恢复跟骨长度,有效纠正重叠位移;提按顶复法重点施力于Z 轴,致力于恢复跟骨高度,有效纠正前后侧位移;端挤捏骨法施力于Y、Z 轴,致力于恢复跟骨宽度及Gissane's 角等,有效纠正内外侧位移。
图4 三步接骨法分步加载总变形量结果图a:完成第一步拔伸牵引b:完成第二步提按顶复c:完成第三步端挤捏骨Fig.4 Step loading total deformation result diagram of three-step reset method. a: Completed the first step of traction and extension; b: Completed the second step of lifting and pressing techniques; c: Completed the third step of pinching and joining techniques.
图5 Sanders ⅡA/B/C 复位结果a:Sanders ⅡA 模型复位图b:Sanders ⅡB 型模型复位图c:Sanders ⅡC 型模型复位图Fig.5 Reduction results of sanders II A/B/C. a: Reset diagram of sanders II A model; b: Reset diagram of sanders II B model; c: Reset diagram of sanders II C model.
图6 不同手法X/Y/Z 轴的力学变化趋势Fig. 6 Mechanical trends of force in X/Y/Z axis for different manual techniques.
表3 位移载荷与力的求解(N)Tab.3 Solution of displacement load and force
通过测量Sanders II A/B/C 有限元模型复位前后跟骨长、高、宽、Gissane's 角、Bohler's 角等数值(表4),复位后跟骨畸形得到明显纠正,跟骨解剖参数平均恢复:长2.57 cm、高4.43 cm、宽2.89 cm、Gissane's 角5.94°及Bohler's 角5.94°。复位过程中,骨折端平均应力峰值12.1 Mpa,未造成骨质、韧带与软骨等损伤,证实手法的有效性及安全性。表3 中部分力学求解数据偏小,原因可能是模型缺少皮肤、部分肌肉等维持足底形态的结构,缺乏与手法对抗的力,但本实验目的是探究手法复位时骨块整体运动方向及力学变化趋势,故认为该模型有意义,后期尚需完善。
跟骨骨折是一种常见的严重后足损伤[11],多由直接暴力所致,由于跟骨具有多关节面且形态极不规则的解剖特点,正确的骨折分型及精准的建模在明确跟骨损伤程度、选择治疗方案以及评估预后中发挥重要作用。前期相关研究已完成单块跟骨骨折建模,而缺乏对足部整体骨、软骨及韧带的建立,本次研究针对跟骨特征及手法复位适应症,对Sanders II 型骨折进行直观、立体和精准的模型建立,完善足踝骨块、添加多个关节软骨及关键韧带,并严格依据Sanders II 型解剖特性进行骨折线划分,为研究跟骨骨折损伤及治疗模型提供参考。既往研究将骨材料默认为骨密质,忽略了骨松质的影响,而Wang 等[12]研究肯定了骨小梁在承载负荷、分散应力中的重要作用。基于此,本研究对骨块的骨密质、骨松质也进行有效区分,尽可能实现有限元模型仿真。
中医手法复位是骨伤科四大疗法之一,具有疗效佳、创伤少、费用低等优势。然而,往昔缺乏客观的评判标准和研究方法,正骨手法推广受限、科学性受到质疑。随着计算机技术的高速发展和有限元方法的广泛应用,其可视化、精准化及规范化的特点为手法的研究提供了新的途径,弥补了操作无法客观化、标准化的不足,刘广伟等[13]应用有限元探讨旋前-外旋型三踝骨折逆移位手法复位的可行性,温海宝等[14]通过建立足踝模型探讨手法治疗踝扭伤的力学作用机理。目前关于跟骨骨折的研究集中于内固定受力分析[15],关于正骨复位的研究偏少,且缺乏标准化复位步骤及流程。因此,本研究通过有限元模拟手法整复过程中跟骨的挤压、扭转等情况,精确进行了手法加载,克服了传统生物力学实验不能准确赋值的短板,着力实现手法的复现,为传统手法的研究提供丰富手段和技术支撑。
三步接骨法是依据中医正骨临床经验,结合跟骨骨折特性而总结提出,此手法以“筋骨并重”理论为指导,坚持骨与筋共同调治、整体与局部复位相结合,在Sanders II 型骨折的闭合复位中具有独特的优势。结合实验结果,本研究手法加载步骤符合复位流程,实验过程中骨折断端应力峰值较小,未见骨质或主要韧带损伤,说明该复位法的安全性。同时,复位前后跟骨的宽、长、高、Gissane's 角及Bohler's 角均得以明显改善,验证了正骨手法的有效性。根据三步接骨法求解的力学趋势及相关临床经验,进一步总结完善三步接骨法复位方案:(1)整体拔伸牵引法:手摸心会,拔伸牵引。结合跟骨骨折的损伤类型及影像学特征,细触骨折部位,确认骨折移位情况后,按照“欲合先离,离而复合”的原则,采用拔伸牵引手法沿跟骨纵轴作相反牵引,用于恢复跟骨长度、韧带长度及张力,有效改善跟骨重叠位移;(2)局部提按顶复法:上提下按,丝丝入扣。针对骨折前后移位,遵循“陷者复起,突者复平”原则,使骨折两端对合,恢复跟骨高度;(3)局部端挤捏骨法:内推外按,相互挤扣。针对左右位移,手掌从足跟两侧扣挤,将向外突出的骨折端向内挤迫,在纠正左右移位的同时尽可能地恢复跟距关节面、跟骨宽度、Gissane's 角及Bohler's 角。整骨后再进行周围软组织调理:理筋续断,畅达肌腱。于踝关节、跗骨周围按照肌腱、肌的方向从上到下顺骨捋筋,使扭转的肌肉、肌腱随骨块复位而舒畅,实现对“骨与筋”的整体把握。此复位法不是简单凭经验随意施加整复,而是循筋摸骨、按序正骨,在临床实践中有效减少对骨与软组织造成二次损伤,尽可能避免创伤性关节炎,更好恢复距下关节面的平整。
本研究存在某些局限性:首先,因加载条件限制,模型未纳入跟骨骨折断端的旋转及成角畸形,即重叠、旋转、成角及侧方移位同时存在的情况,但临床上旋转移位往往可以通过牵引纠正,模型周围肌及皮肤等软组织也将在后续研究中进一步完善;其次,仅探究三步接骨法手法步骤及流程的可行性,未能进行手法量化研究,在后续研究中需运用力学测量与运动捕捉技术,精确手法角度、方向和力等参数,进一步实现手法规范化与普及化。
综上,本文利用有限元法初步构建Sanders II 型跟骨骨折模型并进行手法复位加载,在三步接骨法的分步载荷下,跟骨畸形显著改善,结合手法的力学特征,临床医生可进一步完善复位方案。同时,本文也为客观验证正骨手法疗效、规范复位步骤提供可靠的研究手段。结合临床观察,三步接骨法创伤小、疗效快、复位良好,是治疗Sanders II 型跟骨骨折一种有效和安全的方法。本研究为跟骨关节内骨折的闭合复位提供了新思路,其手法量化及机制研究值得进一步探索。