研究背景外侧踝关节扭伤(lateral ankle sprains)是一种人体最常见的运动损伤,约占所有肌肉骨骼系统损伤的25%。祖国传统医学认为,踝关节扭伤的病理学的表现是“骨错缝、筋出槽”,属于“筋伤戳脚”范畴。而中医正骨手法是治疗该损伤的常用方法。摇拔戳手法为“清宫正骨”治疗踝关节扭伤的代表性手法,本手法将“轻、巧、柔、和”的特点贯穿于操作始终。手法中的转摇方式能使痉挛、扭转、嵌顿的肌肉韧带等软组织得到松解,使其“归其位,行其槽,司其职”;手法中的拔伸方法能使踝关节间隙暂时增大,以此促进正确的关节对位,有利受损间隙组织的修复;手法中的戳按,可以使局部血肿散开,能够防止血肿机化、促进血肿吸收,与此同时还有复位的功效。诸法的组合应用相辅相成,可整复错缝,舒筋理筋,达到缓解疼痛、恢复踝关节正常活动的治疗目的。根据以往的相关研究以及我课题组的经过前期临床随机对照研究,发现该手法在改善外侧踝关节患者功能障碍等方面疗效显著。但回顾既往的文献报道发现,关于手法治疗外侧踝关节扭伤的研究主要集中在临床部分,其手法作用机理多为推论,并无客观的实验数据支持,可以说踝关节扭伤手法的基础研究尚处于空白。而手法作用机理的研究有助于提高手法的临床疗效,并促进手法的应用和推广,因此有必要对其进行深入的研究。与此同时,既往由于没有直接可视化的观察和研究手段,医生对于手法的选择几乎完全取决于个人经验和习惯,因此对某种特定手法的有效性及安全性难以作出评价。针对这种状况,有限元分析法与计算机可视化技术可以解决手法操作无法客观化、标准化的难题。利用有限元分析法研究踝足部手法,通过模拟手法作用下踝足部的挤压、扭转等情况,可以分析出在不同手法操作时某个部位的应力分布、应变,能够对手法操作下的踝关节内部结构的状态进行定量且非侵入性的生物力学评价。这相较于传统的生物力学研究方法更具科学性。目前在有限元方面,随着国内外学者的不断研究,踝足数字化模型的建立日趋完善,踝关节有限元模型也从简化的二维模型发展为三维解剖学模型、并且从线性问题涉及到非线性问题。而其中多数研究只涉及足踝部内固定手术方面,而非涉及正骨手法的治疗机理研究。其原因在于脊柱骨造模时构造相对类似,其活动范围及角度也较为局限,因此当给予加载力后能充分分析其手法的载荷及应力等数值。除此之外,多数研究造模往往局限于骨性结构,忽略了肌肉、韧带等软组织结构,造成了研究结果的误差。因此,在手法治疗踝关节扭伤的作用机理研究层面仍需在有限元分析角度深入探索。另外,祖国医学传统中的“骨正筋柔”理论仍对现今中医骨伤科的临床实践有着深厚的影响和指导价值。“骨正筋柔”理论是对筋骨关系的经典阐述,是对骨与筋之间的相互关系和二者正常生理特点的精炼概括。说明了筋骨是一个整体,两者相辅相成、相互依赖。但倘若外界暴力损伤或机体自身的慢性劳损导致“筋出槽”、“骨错缝”,或二者兼有,即筋骨失和的病理状态,就会影响正常的气血运行,而气血运行不畅导致局部为疼痛、肿胀以及运动功能障碍。而踝关节扭伤所出现的踝穴关节面对位不良即属于“骨错缝”范畴,其中如关节软骨损伤、韧带断裂、肌肉水肿以及滑膜嵌顿等病理改变属于“筋出槽”的范畴。目前,中医正骨手法广泛适用于筋伤疾病的治疗。这种治疗手段的机制就是把“骨错缝、筋出槽”的病理状态转变为“骨正筋柔”的正常生理状态。目前临床上一些医家运用“骨正筋柔”理论来防治骨伤科疾病,从改变筋与骨之间的关系入手对疾病进行干预,其具体的治疗手段主要是正骨手法和功能锻炼,并取得了良好的临床治疗功效。但是,目前还鲜有关于“骨正筋柔”理论机制层面的研究报道,诸如“骨正”与“筋柔”的客观标准是什么?手法如何使机体达到“骨正筋柔”的理想状态?用生物力学及有限元分析方法是否能够发现其中的机制?这些问题仍需要我们用新的科学方法去探索、验证。目的1.基于踝关节CT影像学资料,建立正常的踝关节三维有限元模型并验证其有效性。2.利用运动捕捉系统、自主研制的力学手套及力学运动学同步模块,量化踝关节运动状态下所施加的载荷与角度的大小。3.用有限元分析法探讨摇拔戳手法治疗外侧踝关节扭伤的作用机制,为“骨正筋柔”理论提供客观、科学的研究支持。方法1.建立足踝三维有限元模型采集急性外踝关节扭伤患者CT断层图片,应用mimics软件与Abaqus软件建立急性踝关节扭伤模型。模型建立主要包括以下几个步骤:(1)点云处理:①图像定位:将所有CT图片进行矢量化处理,将DICOM格式的二维信息转化为三维信息,自动形成各断层图像的边界轮廓。②阈值界定:对定位后图像进行骨质阈值界定,以分离骨性结构及周围软组织。③分离骨骼。④3D生成平滑处理。⑤表面处理与3D图像的保存。(2)逆向工程:利用三维建模软件solidworks将在Mimics中所生成的点云数据进行逆向处理。逆向处理包括:点云数据导出,生成曲面进行曲面拟合。(3)网格划分:采用hypermesh软件对骨头结构进行网格划分,最终生成三维网格模型。对每一块骨骼分层按皮质骨和松质骨进行网格划分,将骨骼模型添加材料属性。利于后期计算。(4)有限元整体模型的建立:①添加韧带。②添加接触面。③添加软骨。④确定材料参数。2.踝关节运动的力学量化与有限元模型的验证(1)手法力学测量手套及数据采集同步系统的研制:采用对称分布的硬币式压力传感器,并在传感器两端安装了两个平板形成传感器模块,配合陀螺仪与加速度模块,研制出可准确测量力与加速度的手法数据测量手套。通过BNC接头、Zigbee模块、上位机系统,将力学测量与运动捕捉测量进行结合,使力学、运动学数据在单次实验中达到同步采集。(2)踝关节运动受力及角度获取:操作者以双手拇指施加力于患者踝关节,使其被动背伸、跖屈、内翻、外翻,活动范围以患者所能承受的最大范围为度。采用力学、运动学同步系统同步采集患踝运动过程及操作者双手拇指施加力的大小以及踝关节运动角度。上述实验在三个时间点进行,时间点的确定以患者患踝受伤后的时间为标准,分别为:①扭伤初期:受伤后1天(手法治疗前);②恢复期:受伤后1天(第一次手法治疗后即刻);③康复后:受伤后1月(手法疗程结束后2周)。每次试验时保证操作者的施力点相同。并从患者受伤签署知情同意书后开始为患者施行摇拔戳手法治疗,4-5日3次,共3次,疗程为2周。(3)有限元模型的验证:根据摇拔戳手法实施时脚踝各关节的实际运动状态,确定三维有限元模型的边界条件,然后加载所获取的患者康复后的踝关节受力及角参数以验证模型有效性。3.摇拔戳手法治疗外踝关节扭伤机制的有限元分析本研究在保证上述康复后正常有限元模型的真实有效基础上,根据上述患者伤踝不同时间点(手法治疗前、治疗后即刻、治疗疗程结束后2周)分解动作(背伸、跖屈、内翻、外翻)的力与角度参数,进行该模型的工况加载。通过调整距腓前韧带的参数,获得这四个工况下(背伸、跖屈、内翻、外翻)的韧带弹性模量、应力及踝关节接触面的应力的情况,以此分析摇拔戳手法治疗踝关节扭伤的作用机理。由于踝关节扭伤以距腓前韧带损伤最常见,故本次有限元分析的韧带以距腓前韧带为主。结果1.建立了正常足踝三维有限元模型,且得出的有限元运动角度计算结果与康复后试验角度数据基本吻合,确定所建立的有限元分析模型合理有效。2.研制出力学手套及力学运动学同步模块,量化了踝关节运动状态下所施加的载荷与角度的大小,为有限元分析提供了加载的模拟条件。3.摇拔戳手法治疗外踝关节扭伤作用机制的有限元分析:(1)从距腓前韧带弹性模量变化角度来看:在四种工况加载下(跖屈、背伸、内翻、外翻)得出,手法治疗前距腓前韧带的弹性模量是康复后正常模型弹性模量的1.8-2倍,治疗过程中的弹性模量是康复后正常模型弹性模量的1.4-1.5倍,其数值在不同阶段(治疗前、治疗中、康复后)有逐渐变小趋势。(2)距腓前韧带力学参数变化角度来看:距腓前韧带的最大应力和总的轴力的数值在不同阶段的四种工况下均有逐渐增大趋势。(3)从距骨接触面的应力分布来看:四种工况下治疗前、治疗中、康复后距骨与胫骨、距骨与腓骨之间的最大应力均在逐渐增大。而且两者应力分布云图面积(受力面)也在逐渐增大,说明应力分布在逐渐变得均匀。(4)从胫距关节的角度来看:四种工况加载下,外侧踝关节扭伤治疗前、中、后三个阶段的胫距关节运动角度有逐渐增大的趋势,说明其活动范围随着治疗的进展在逐渐增大。结论1.从摇拔戳手法治疗前、中、后三个阶段来看,距骨与胫骨、距骨与腓骨之间的最大应力均在逐渐增大。而且两者应力分布云图面积(受力面)也在逐渐增大,说明应力分布在逐渐变得均匀。表明手法治疗前踝关节局部因疼痛、肿胀、踝穴对位不良等原因,使得整个踝穴的受力较小且主要集中在内侧胫距关节。经过手法治疗后,上述症状与病理改变得到缓解,踝穴关节面所能承受力的能力在增加,且内侧胫距关节与外侧腓距关节的应力分布在逐渐趋向于均匀化。因此,摇拔戳手法可以有效改变患肢踝穴的应力分布,可以将“骨错缝”的病理状态转变为“骨正”的正常生理状态,据此分析出摇拔戳手法“骨正”的治疗机理。2.随着治疗时间的推移,距腓前韧带在四种工况下的弹性模量均在逐渐变小,其所能够承受的力也在逐渐增大。这表明手法治疗前踝关节局部因疼痛、肿胀、踝穴对位不良等原因,使得距腓前韧带痉挛僵硬且受力较小。而经过手法治疗后,疼痛肿胀症状得以缓解,踝穴对位趋于正常,因此距腓前韧带逐渐由僵硬变柔和且所能承受力的能力在增加。因此,摇拔戳手法可以有效改变患肢距腓前韧带的弹性模量及力学参数,可以将“筋出槽”的病理状态转变为“筋柔”的正常生理状态,据此分析出摇拔戳手法“筋柔”的治疗机理。3.本研究证明了扭伤后的踝关节存在“骨错缝、筋出槽”的病理状态,初步揭示了摇拔戳手法治疗踝关节扭伤的机制,即“骨错缝、筋出槽”的病理状态逐渐转变为“骨正筋柔”的生理状态。创新点1.既往研究只探讨正常踝关节有限元模型的韧带参数及应力分布,未涉及踝扭伤模型的上述数据资料。本研究在获取伤踝模型韧带参数及应力分布的方法上有一定创新性:即根据患者伤踝不同时间点分解动作的力与角度参数,进行该模型的工况加载,再通过调整距腓前韧带的参数,获得了四种工况下的韧带弹性模量、应力及踝关节接触面的应力的情况。2.从有限元分析角度阐明了摇拔戳手法治疗外侧踝扭伤的机制,从基础研究层面证实了摇拔戳手法的有效性及科学性。3.从生物力学角度为“骨正筋柔”理论了提供客观、科学的数据支持。