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［摘要］
目的：应用三维有限元的计算分析方法，研究踝关节在不同体位、不同载荷的条件下，距踝关节软骨表面的应力 变量，揭示足球踝发生的生物力学规律。方法：将正常男性足踝部的ＣＴ扫描数据，导入三维建模软件建立几何模型后，进 行有限元网格划分。分析踝关节在跖屈４５°、３５°体位下，远距离和近距离踢球时，距骨表面的应力分布数据。
结 果：①成 功创立踝关节跖屈４５°、３５°两组三维有限元模型。前者：２２０８７６个节点，１２８００３９个单元，后者：１７８１６３个节点，１０３６７４０个 单元。②经计算得到踝关节４种工况的ｖｏｎ－ｍｉｓｅｓ应力云图。
结论：①胫距和距腓关节面，是足球踝软骨损伤与炎症的好 发部位。②如运动员以踝关节跖屈４５°位姿势踢球，可减少足球踝的发生率。
［关键词］ 距骨；三维有限元方法；足球踝；生物力学
在足踝部疾病的发病机制研究和防治领域，力 学 因 素 造 成 的足踝部损伤非常多见。因此，采用生物力学手段研究足踝关 节疾病的方法，自然会引起众多 学 者 的 兴 趣。随着计算机科学 技术的进步和发 展，有限元计算分析方法的功能越来越强大， 使用它进行骨软骨的生物力学研究，在现实中不仅成为可能， 而且越来越深入。有限元分析方法的优势在于，它 不 仅 具 有 模 拟精度高、适用性广、对人物体无 损 伤 的 特 点，而且能够重复计 算，反复验证。本文采用三维有限元计算分析方法，研 究 距 骨 在踝关节不同体位、不同载荷的条件 下，距骨表面因此产生的 生物力学性质变化现象，力图揭示导致“足 球 踝”发 生 的 力 学 规 律。经相关文献检索，至今尚未见此类论文在国内外报道。
１ 材料与方法
１．１ 数据采集
志愿者 名，条 件：男 性，年 龄 ２０ 周 岁，身 高 １７０ｃｍ，体 重 ６０Ｋｇ，无足部疾患。用绷 带 和 胶 带，先后将志愿者右踝关节大 致固定在跖屈４５°与３５°位，再使用标尺对姿势进行微调和充分 固定，以保证姿态的角精确和牢靠，最后用３２０排螺旋 ＣＴ 先后 行右足踝，跖屈４５°、３５°姿势平扫，扫描层厚０．６２５ｍｍ
１．２ 创建有限元模型
将 ＣＴ扫描数据导入三维重建软件 Ｍｉｍｉｃｓ，先 调 整 阈 值， 以使骨骼与软组织充分分离，再建踝关节的几何初型。将 文 件 导入 Ｇｅｏｍａｇｉｃ软件，行消除噪点与 平 滑 工 作，然后将其拟合为 ＮＵＲＢＳ曲面，保存 为 ＭＳＣ．ｐａｔｒａｎ可 识 别 的Ｉｇｓ格 式。将Ｉｇｓ 文件导入 ＭＳＣ．ｐａｔｒａｎ２００４中，得到２４６２个几何面，代表踝关 节的几何模型。根据实际解剖情况，在 Ｐａｔｒａｎ中提取胫骨与距 骨、腓骨与距骨的相邻表面，据其几何外形划分有限元网格，得 到１１２个四边形单 元 代 表 关 节 软 骨；然后根据解剖学知识，确 定代表小腿骨间膜及下胫腓韧带附着点的节点，按 顺 序 建 立 小 腿骨间膜、下胫腓前 韧 带、下胫腓后韧带的模型，包 含３０个 三维杆单元。在此基础上，再进行边界条件的设置及材料属性的 赋予。最后提交至 Ｎａｓｔｒａｎ２００４软件，进 行 计 算 分 析。本 课 题 创建的踝关节有限元模型见图１．
１．２．１ 材料属 性 模型中设计的各种组织材料，均 简 化 为 各 向同性的均匀质弹性材料，有关材料的弹性性能常数及设定由 文献确定［１～３］，见表１．
１．２．２ 边界条件及载荷 本分析采用相对静止加载的近似分 析方法，将载荷加载在距骨的距舟关节面上。各种工况的加载 受力状况见表２．
２ 结果
创建了几何相似度极高的踝关节高精度三维有限元模型。 其中，跖屈４５°位 模 型，包 含：２２０８７６个 节 点，１２８００３９个 单 元； 跖屈３５°位 模 型，包 含：１７８１６３个 节 点，１０３６７４０个 单 元。经 计 算，最终得出距骨—踝关节面，关节软骨 的ｖｏｎ－ｍｉｓｅｓ等 效 应 力 分布云图（图２）。
经数据分析，得出如下结果：①踝关节跖屈４５°位踢球时，应 力主要集中在胫距关节面。当踝关节跖屈４５°位踢远时，最大应 力值为１４７ＭＰａ，发生点在胫距关节面外侧；踢近时，最大应力值 为１２２ＭＰａ，发生点在胫距关节面中后缘。②跖屈３５°位时，应力 则集中在胫距关节面和距腓 关 节 面。当 踝 关 节 跖 屈３５°位 踢 远 时，最大应力值为８３．８ＭＰａ，发生点在胫距关节 面 前 外 缘；踢 近时，最大应力值为１３．１ＭＰａ，发生点在距腓关节前外缘。
３ 讨论
从生物力学的角度而言，关节软骨的主要功能是扩散载荷 以减少关节面磨 损。承 载 时，关节软骨逐渐变形，液 体 从 应 力 集中区渗出，渗出的液体可使应力集中区域的应力扩散和减 弱。随着其应力减 弱，软骨的渗透性逐步降低，使 液 体 不 易 流 出，直至不再渗出。这个 应 变－渗 出 的 负 反 馈 机 制，虽 然 有 助 于 关节软骨的润滑、承 载，但同时也可导致关节软骨的磨损。原 因在于，关节软骨的组织间液经过反复的渗出、吸 收，可 导 致 蛋 白多糖从近关节面的软骨关节中被“洗 出”［４］，而使关节软骨遭 受损害。有研究表 明，骨关节炎炎症早期的生化改变，主 要 是 关节软骨中蛋白多糖含量下降［５，６］。因 此，可以说应力集中区 就是骨关节炎的病理改变中心。
踢球时，运动员的踝关节由于受到远高于常人的、不 断 重 复的应力刺激，应力集中区域的关节软骨，需不断进行应变— 渗出过程的应答，这就很容易造成此区域的软骨损伤。比 较 两 种体位的应力集 中 区，我 们 不 难 看 出：相 较 于 跖 屈４５°位，跖 屈 ３５°位在应力集中于胫距关节面的同时，又在距腓关节面形成另 一处集中区，鉴于其应力集中区域的扩大，我们可推测在此种 体位下踢球更易形成软骨损伤而造成足球踝。同 理，可 以 很 容 易得出这样的结论，相对于踝关节跖屈３５°位，运动 员 采 用 跖 屈 ４５°位踢球时，其损伤较小。
曲绵域［７］认为，踝关节不合槽的活动，会使距骨颈和附近 的骨关节面的前缘反复撞击与挤压，或使距骨的后唇与胫骨后 缘反复撞击，这都可使该部的关节面软骨遭受损伤，长 此 以 往， 最终会发展成为足球踝（踝关节 骨 性 关 节 炎）。有 理 由 认 为，这 些易遭受反复撞击的部位，即踝关节的易损伤部位。根 据 我 们 分析的结果，踢球 时，踝关节的最大应力主要集中于胫距关节 面后缘、胫距关节面的前缘及距腓关节面前缘，这 与 曲 绵 域 研 究的足球踝易损伤部位的结论，基 本 吻 合，相 似 度 极 高。同 时， 比较踝关节在两种体位下，踢近与踢远的最大应力集中部位， 我们进一步发现，在 跖 屈３５°位，不 论 踢 近 还 是 踢 远，最 大 应 力 集中部位均在距骨颈与附近的骨关节面的前缘。这 说 明，如 采 用此种姿势踢球，关节软骨易磨损部位相对固定，与 踢 球 所 用 力度关系不大。这 就 意 味 着，即 使 力 度 较 小，也可以造成该部 位的反复磨损。因此，如频繁使用踝关节跖 屈３５°的 姿 势 踢 球， 会大大增加患足球踝的风险。
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