基于计算三维模型的钮孔畸形韧带应力分布评估及其病理力学机制研究

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Assessment of the ligamentous stress distribution in the pathomechanics of the boutonniere deformity through a computational 3D model

本研究针对钮孔畸形（Boutonniere Deformity）发展过程中力学改变与伸肌机制损伤关联不明的关键问题，通过结合8例尸体手部实验和有限元分析（FEA），构建了详细的指部三维计算模型。研究成功模拟了中央腱束（CS）损伤后斜纤维和三角韧带（TL）的应力重分布过程，发现侧束（Lateral Bands）应力增加102%，三角韧带在75%损伤时应力峰值达7.5 MPa，揭示了韧带渐进性衰减是畸形发展的生物力学基础。该模型为早期诊断和手术干预提供了量化依据，对临床理解畸形演进路径具有重要意义。

　　

手指的钮孔畸形（Boutonniere Deformity）是一种令人困扰的手部病变，其特征是近端指间关节（PIP）屈曲畸形伴随远端指间关节（DIP）过伸。这种畸形常发生于手部创伤、类风湿关节炎或先天性异常后，甚至在治疗锤状指的手术中也可能意外出现。尽管其病理过程在临床文献中已有阶段化描述，但力学因素如何驱动伸肌机制失衡、进而导致畸形逐步形成，始终是生物力学研究中的盲区。传统尸体实验虽能观察形态变化，却难以量化韧带和肌腱的实时应力变化，使得早期干预缺乏理论支撑。

为填补这一空白，Solitro等人发表在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》的研究创新性地结合尸体实验与计算建模，首次通过有限元分析（FEA）揭示了钮孔畸形演进中的应力分布规律。研究团队首先利用8具尸体手部标本，通过定制装置模拟伸肌腱在不同损伤条件下的运动，并记录关节角度变化。基于实验数据，他们构建了高精度三维指部有限元模型，包含中央腱束（Central Slip）、侧束（Lateral Bands）、三角韧带（Triangular Ligament）等关键结构，并赋予其从文献中获取的材料参数。模型验证阶段，团队成功复现了临床常用的Elson试验：当PIP关节屈曲90°时拉伸伸肌腱，模型如尸体实验一样出现DIP关节过伸，证实了其预测可靠性。

关键技术方法包括：基于CT扫描数据重建指骨三维几何模型；通过NURBS曲面包裹技术构建韧带与肌腱的解剖结构；利用ABAQUS软件进行有限元网格划分和接触力学模拟；在尸体标本上通过分级切割中央腱束、斜纤维和三角韧带，测量PIP关节角度变化；采用方差分析（ANOVA）比较不同损伤配置下的生物力学差异。

尸体实验

实验显示，完整手指在10毫米肌腱滑动后PIP关节伸展角度为15.4°±9.5°。中央腱束离断后降至11.9°±7.4°，而进一步损伤斜纤维和三角韧带会导致PIP关节屈曲11.8°±9.1°。统计分析表明，三角韧带损伤后PIP屈曲角度变化显著（p<0.01），印证了该结构在畸形形成中的临界作用。

有限元模型验证

模型在0-8毫米肌腱滑动范围内预测的PIP角度与实验值偏差在1个标准差内，但在最后2毫米出现分歧。整体上，模型对完整（A）、中央腱束损伤（B）和斜纤维损伤（C）配置的预测均符合实验趋势，为后续应力分析提供了可信基础。

应力分析

在完整配置（A）中，中央腱束应力（15 MPa）远高于侧束（6.6 MPa）。中央腱束损伤（B）后，侧束应力激增102%至13.25 MPa，同时三角韧带应力从1.01 MPa升至1.26 MPa。斜纤维50%损伤（C1）时，剩余纤维应力上升41%至11.98 MPa；三角韧带75%损伤（D3）后，其应力在20毫米肌腱滑动时达峰值7.5 MPa。

侧束位置与PIP关节角度

当三角韧带损伤≥50%时，侧束开始向掌侧移位；损伤≥75%时，侧束在伸展期位移超过8毫米，转化为PIP关节的屈曲力。配置D4中，PIP关节屈曲达56°，DIP伸展19°，呈现典型畸形姿态。

讨论与结论

本研究通过计算力学揭示了钮孔畸形的演进机制：中央腱束损伤后，应力向侧束和三角韧带转移，导致后者渐进性衰减；当三角韧带损伤超过50%时，侧束掌侧移位使其转化为PIP屈曲力，最终引发不可逆畸形。这一过程解释了为何单纯中央腱束损伤不会立即导致畸形，而需数周发展。研究结果强调了早期诊断（如Elson试验在PIP屈曲>40°时的敏感性）和手术中同时修复中央腱束与侧束的必要性。模型的局限性在于仅针对食指且未包含内在肌作用，但其为临床提供了首个体内难以获得的应力分布数据，为畸形预防和手术规划提供了生物力学范式。未来工作可扩展至其他指骨及合并肌腱炎、术后并发症等临床场景的力学研究。