腕部的三維有限元模擬及腕管綜合征的生物力學研究.pdf

1、腕是將手維持于正常功能位置的重要關節(jié)，腕部畸形或病變會影響手部功能的正常發(fā)揮。腕管綜合征是腕部神經(jīng)卡壓綜合征中最常見的一種，最早由James Paget爵士在1865年提出。它是腕部正中神經(jīng)在腕管受到卡壓而引起的一種神經(jīng)病癥。當正中神經(jīng)穿過腕管時，往往會因為受到卡壓而導致一定程度上的感覺神經(jīng)和運動神經(jīng)功能的障礙。其癥狀包括腕部及手掌出現(xiàn)疼痛、麻木或者刺痛感等。在臨床上，當保守治療不能取得滿意的療效時，手外科的醫(yī)生一般采用腕管松解手術將腕

2、橫韌帶部分或全部切開以釋放正中神經(jīng)所受的壓力。但已有臨床病例和研究表明這種手術治療方法不可避免地會帶來一些術后并發(fā)癥，如腕管釋放不完全、正中神經(jīng)或尺神經(jīng)失用癥以及對指神經(jīng)或尺動脈的損害等等。據(jù)相關數(shù)據(jù)估算，每年腕管綜合征給美國工業(yè)造成超過20億美元的經(jīng)濟負擔。為了降低如此高昂的社會和經(jīng)濟花費，腕管綜合征的研究應運而生，并且在過去的十年里得到突飛猛進的發(fā)展。 目前與腕管及腕管松解術相關的生物力學研究主要集中在實驗研究方面，如探究腕

3、橫韌帶與腕骨間韌帶對腕管結構穩(wěn)定性的影響、腕橫韌帶松解術對腕管內屈肌肌腱運動的影響、腕橫韌帶與腕管內容物之間的相互運動等。針對腕管松解術帶來的術后并發(fā)癥現(xiàn)象，研究者們也開始考慮采用延長腕橫韌帶的方法擴大腕管的容積，從而降低腕管內正中神經(jīng)所受的壓力。這類研究為尋求區(qū)別于常規(guī)的腕管綜合征手術提供了新的思路，但目前還停留在實驗測試階段。 經(jīng)過將近四十年的發(fā)展，有限元方法已經(jīng)成為目前國際肌骨系統(tǒng)計算力學分析的主要手段。但是由于腕部關節(jié)復

4、雜，組織眾多，到目前為止考慮腕管軟組織尤其是腕橫韌帶真實的幾何構型和材料力學特性的腕部整體三維有限元模型還很缺乏，同時針對腕管綜合征和腕管松解術的生物力學有限元模擬與分析也鮮見報道?；谝陨显?，本文建立了一個包括腕橫韌帶空間結構的腕部整體三維有限元模型，運用該模型分析了腕橫韌帶和腕管結構在力荷載作用下的力學響應，并研究了腕管松解術對腕部力學行為的影響，旨在為腕管綜合征的臨床診斷和治療提供相關的理論依據(jù)。具體內容包括以下幾個方面：

5、 (1)基于一位男性志愿者的腕部CT圖像，利用三維醫(yī)學圖像建模軟件對腕部骨骼進行了三維表面模型重建，并利用逆向工程軟件生成相應的幾何實體。再將其導入有限元前處理軟件分別對腕部各骨骼的骨組織和軟骨組織進行單元劃分和三維重建；參考解剖學數(shù)據(jù)對腕橫韌帶和其他韌帶分別進行三維重建和單元模擬；并對各類型組織進行單元屬性和材料性質的定義；整合得到腕部整體三維有限元模型。通過與實驗研究相對照，驗證了該模型的合理性； (2)利用腕部三維有限元

6、模型中的腕管模型計算并分析了掌向拉伸力作用下腕橫韌帶的延展性能以及腕管特征截面面積的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增大，腕橫韌帶的橈度、應力與應變值以及腕管截面面積都呈非線性增長趨勢，但是腕橫韌帶本身的延展性能較差。由于目前尚缺乏對于腕橫韌帶材料性質較為準確的描述，本文還討論了腕橫韌帶材料屬性的不同參數(shù)對其變形能力以及對腕管特征截面面積變化的影響，發(fā)現(xiàn)腕橫韌帶和腕管截面面積的變形能力隨著彈性模量和泊松比的增加分別出現(xiàn)不同趨勢的降低。這些數(shù)據(jù)對

7、相關的腕管拉伸荷載實驗提供了可靠的理論依據(jù)； (3)利用腕部整體三維有限元模型計算并分析了掌骨受軸向壓力作用下腕部載荷傳遞與關節(jié)接觸應力的分布情況，并通過計算分析了腕橫韌帶的切除對腕骨以及腕管結構位移和應力分布的影響，發(fā)現(xiàn)腕管松解術不僅使舟骨發(fā)生向橈側和掌側的偏移，以及相對于橈腕關節(jié)產(chǎn)生屈曲和向橈側的轉動，還使得整個腕管結構近似于以頭狀骨-月骨為軸產(chǎn)生橈側偏移。腕橫韌帶的切除對腕中關節(jié)的應力分布產(chǎn)生了與腕管結構位移變化相一致的影

8、響。由于月骨和頭狀骨的軸向位移在切除腕橫韌帶前后變化很小，因此月骨-頭狀骨關節(jié)的接觸應力相應也幾乎沒有變化。由于舟骨向橈側移動、側偏并同時產(chǎn)生屈曲，使得舟骨-大多角骨-小多角骨關節(jié)的接觸應力相應減少，同時舟骨向腕背側的運動也使得舟骨-頭狀骨關節(jié)的最大應力點向背側遷移。由于鉤骨軸向位移減少的趨勢大于三角骨軸向位移減少的趨勢，從而加劇鉤骨和三角骨之間的擠壓，使三角骨-鉤骨關節(jié)的最大接觸應力值明顯增大。 綜上所述，本文在對腕部結構進行

9、模擬時將腕橫韌帶納入三維實體組成部分的構建，從而首次建立了包括腕管三維管狀結構和遠端橈尺關節(jié)以及近端腕掌關節(jié)在內的腕部整體三維有限元模型。通過與實驗數(shù)據(jù)相印證，證實了該模型的合理性與可行性，并通過分析拉伸載荷作用對腕橫韌帶和腕管變形能力的影響，以及腕管松解術對腕部運動和生物力學行為的影響，為個體化人腕關節(jié)的三維建模和在體生物力學研究提供了可操作的平臺和方法學的參考，也為進一步深入了解腕部各組織結構在力荷載作用下的生物力學行為和功能效應，