何凱張金花楊物鵬付蘇吳建群高曉宇

跟骨具有較為復雜的幾何形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，跟骨骨折為臨床常見病和多發(fā)病[1,2]，多為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，因此其治療手段選擇顯得至關(guān)重要[3]。多數(shù)骨科醫(yī)生認為Sanders分型對跟骨骨折治療的選擇及預后的判斷有較高的臨床價值，對于SandersⅡ型跟骨骨折，最適當?shù)闹委煼桨覆欢╗4,5]。SandersⅡ型跟骨骨折手術(shù)治療的療效優(yōu)于非手術(shù)治療，手術(shù)的內(nèi)固定常規(guī)使用鎖定鋼板和解剖鋼板，但是二者的治療效果存在爭議。除了需要考慮骨折分型、周圍軟組織條件等因素外[2,6,7]，還應從二者治療跟骨骨折后所獲得的穩(wěn)定性效果考慮，因為較差的穩(wěn)定性可能會導致并發(fā)癥[8-11]，包括感染或骨折不愈合，因此選擇最佳的治療方案需要比較不同內(nèi)固定的穩(wěn)定性。有限元分析技術(shù)能夠較方便地模擬跟骨骨折復雜的位移、應力和形變等情況，所以，鎖定鋼板和解剖鋼板內(nèi)固定系統(tǒng)治療SandersⅡ型跟骨骨折的生物力學研究顯得尤為必要。

1 材料與方法

1.1 對象

選擇一名健康24歲男性志愿者，身高178 cm，體重70 kg，X射線檢查未見足跟部的畸形及退變，該志愿者同意并接受該實驗過程，并已簽署實驗知情同意書。對其左足踝部的中立非負重位跟骨螺旋CT，層厚1 mm。

1.2 設(shè)備

美國GE公司生產(chǎn)的Lightspeed16層螺旋CT。

1.3 軟件

Dassault Systemes S.A公司生產(chǎn)的 SolidWorks軟件，Materialise公司生產(chǎn)的MiMics11.0三維重建軟件，美國AN-sys公司的ANSYS 12.0有限元分析軟件，美國Geomagic的三維模型處理軟件。

1.4 方法

1.4.1 跟骨三維模型重建

將志愿者的472張足部橫斷面 CT原始數(shù)據(jù)以 Dicom格式導入 Mimics 11.0軟件，Mimics軟件中軟組織和骨骼具有不同的灰度值對灰度值進行分割，調(diào)整閾值，建立MIMICS的初步踝關(guān)節(jié)模型，以STL格式的三維模型數(shù)據(jù)輸出結(jié)果[12,13]。將結(jié)果輸入到Geomagic Studio軟件，對初步建立的踝關(guān)節(jié)模型進行降噪、平滑、曲面擬合等處理，從而生成實體零件（見圖1）。

圖1，初步跟骨模型（Mimics軟件）；平滑跟骨模型（Geomagic Studio軟件）（彩圖見插頁）。

1.4.2 Sanders II型跟骨骨折三維模型建立

將已經(jīng)建立的跟骨的三維模型，導入Solidworks軟件中進行Sanders II型劃分骨折模型切割處理。在跟骨模型冠狀面上選擇跟骨后距關(guān)節(jié)面最寬處，平均劃分為三等分，1/3處和2/3處標記為A、B，C是距骨下邊線，沿后關(guān)節(jié)面做三條平行線，建立3種骨折模型。即骨折線模型三種類型（A，B或C）（見圖2）。骨折不同片段之間設(shè)計為完整的骨折平面模型和摩擦系數(shù)為0.2。

圖2，建立Sanders II型跟骨骨折線模型。

1.4.3 跟骨骨折內(nèi)固定三維模型建立

利用了天遠三維掃描儀對跟骨鎖定及"Y"解剖鋼板、相關(guān)尺寸螺釘進行相對高精度掃描，制作相關(guān)三維CAD模型。根據(jù)跟骨鋼板和螺釘使用說明，將鎖定鋼板及"Y"解剖鋼板分別植入Sanders II型跟骨骨折模型，共建立6組模型，最后導入ANSYS軟件中進行有限元分析（見圖3）。

圖3，跟骨骨折內(nèi)固定物模型建立（彩圖見插頁）。（左：跟骨解剖鋼板植入，右：跟骨鎖定鋼板植入）。

1.4.4 Sanders II型跟骨骨折內(nèi)固定模型材料屬性、施加負荷、邊界條件

⑴材料屬性賦值：鋼板和螺釘?shù)牟牧线x擇為鈦質(zhì)，骨質(zhì)采用均質(zhì)同向的線性模型[14]（見表1）。

表1，Sanders II型跟骨骨折內(nèi)固定模型材料屬性

⑵載荷的施加設(shè)置：建立坐標軸，即腳趾指向腳跟為Y軸、踝關(guān)節(jié)外側(cè)指向內(nèi)側(cè)為 X軸、足跟向上指向膝關(guān)節(jié)為Z軸，XY平面平行于足底平面。跟骨中立位置加載：在ANSYS軟件頁面上，固定跟骰關(guān)節(jié)面、跟骨與地面接觸區(qū)域，總計施加約不同方向的500 N力學刺激[15-17]：前中距關(guān)節(jié)面82.5 N，后距關(guān)節(jié)面249.5 N，跟腱附著處137.5 N。

⑶設(shè)定如下評價標準，保證實驗的順利完成：骨折塊間的位移＞150 m會出現(xiàn)骨折端不穩(wěn)定。跟骨周圍骨質(zhì)剪切應力＞56 MPa會出現(xiàn)螺釘松動。當內(nèi)固定物表面 von Mises應力＞450 MPa會出現(xiàn)鋼板不可逆性形變，而＞600 MPa會出現(xiàn)鋼板斷裂[18]。

2 結(jié)果

2.1 有限元分析Sanders II型跟骨骨折內(nèi)固定模型結(jié)果對比

對于Sanders II型各亞型跟骨骨折內(nèi)固定模型，兩組的骨折塊應力峰值和內(nèi)固定應力峰值均位于合理范圍內(nèi)，鎖定鋼板組的內(nèi)固定應力峰值＜解剖鋼板組，解剖鋼板組的跟骨應力峰值＜鎖定鋼板組（見表3，4），對于Sanders IIA、IIB型模型，解剖鋼板固定骨折塊移位程度和骨折線相對移位程度明顯＞鎖定鋼板，Sanders IIC型模型中兩者相對移位的數(shù)據(jù)相近（見表2，圖4），綜上所述分析說明鎖定鋼板固定相對于解剖鋼板更為穩(wěn)定、可靠，而解剖鋼板組更多應力集中于內(nèi)固定物上（見圖5）。

表2，鎖定鋼板和解剖鋼板固定Sanders II型跟骨骨折塊移位、相對移位（ m）

表3，鎖定鋼板和解剖鋼板固定Sanders II型跟骨骨折內(nèi)固定應力（MPa）

表4，鎖定鋼板和解剖鋼板固定Sanders II型跟骨骨折跟骨應力（MPa）

圖4，鎖定鋼板和解剖鋼板固定不同Sanders II型跟骨骨折的骨折塊移位程度對比。

圖5，Sanders II型跟骨骨折固定物植入模型鋼板內(nèi)固定應力分布，上中下三排分別為Sanders IIA、IIB、IIC跟骨骨折內(nèi)固定及跟骨應力分分布情況，第一和第三例分別為鎖定鋼板和解剖鋼板固定后鋼板應力分布、第二例和第四例分別為鎖定鋼板和解剖鋼板固定后跟骨的應力分布（彩圖見插頁）。

3 討論

大部分跟骨關(guān)節(jié)外骨折可以通過保守治療的方法得到較好的療效，移位的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折可導致一系列問題，最終造成足部功能障礙[3]，目前主要治療方式有切開復位的鎖定鋼板和解剖鋼板內(nèi)固定，而內(nèi)固定所獲得的穩(wěn)定性在骨折預后中至關(guān)重要[11]。本實驗通過有限元分析方法，對鎖定鋼板、解剖鋼板固定的Sanders II型跟骨內(nèi)固定骨折模型進行力學穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，鎖定鋼板固定時骨折塊移位程度和骨折相對移位程度顯優(yōu)于解剖鋼板，但骨折線之間最大位移并沒有明顯差異，且都小于1mm（跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)指征標準是骨折線分離或移位≥1 mm），由此說明兩種固定方式對恢復關(guān)節(jié)面平整，預防距下關(guān)節(jié)塌陷、骨折移位等具有類似作用，為臨床工作提供理論依據(jù)。

本實驗有限元分析結(jié)果與以往文獻報道的實驗結(jié)果相似，對于Sanders IIA型、IIB型跟骨骨折，鎖定鋼板的固定效果明顯優(yōu)于解剖鋼板[10,19,20]，Richter通過生物力學研究發(fā)現(xiàn)鎖定鋼板組更高的加載失效強度和低形變特征，提示鎖定鋼板的堅強程度高于解剖鋼板[21]。Richter的骨折模型通過跟骨截骨制作完成，解剖螺釘組是三種不同鈦板配合解剖螺釘，另一組是鈦板配合鎖定螺釘，實驗發(fā)現(xiàn)鎖定螺釘組的骨折移位程度小，說明鎖定螺釘組穩(wěn)定性優(yōu)于解剖螺釘組。同樣，Kienast等通過研究發(fā)現(xiàn)臨床上應用鎖定鋼板，患者固定及預后效果更好[22]，說明比較不同的內(nèi)固定的生物力學穩(wěn)定性，鎖定鋼板更有優(yōu)勢，這些結(jié)果原因：跟骨多由松質(zhì)骨構(gòu)成，骨折后常伴有骨缺損，鎖定鋼板不依賴于骨與鋼板之間的摩擦力提供穩(wěn)定，而是通過與螺釘?shù)逆i定來實現(xiàn)成角穩(wěn)定，此種固定機制使鎖定螺釘?shù)妮S向負荷及抗拔強度遠高于解剖鋼板，對于骨質(zhì)疏松的跟骨骨折有較好的把持力。

Sanders IIA與Sanders IIB骨折塊移位程度和骨折線相對移位程度結(jié)果比較后提示（見表2）：Sanders IIB移位數(shù)值相比于Sanders IIA型跟骨骨折數(shù)據(jù)較大，B骨折線較A骨折線靠內(nèi)側(cè)，反映跟骨鋼板外側(cè)固定的穩(wěn)定性變化特點。Sanders IIC型跟骨骨折模型，兩組骨折塊的移位程度相近，鎖定鋼板固定時的骨折移位程度要稍高于解剖鋼板，這可能是由于鋼板不同形態(tài)所導致。分析其原因可能是：打入載距突內(nèi)的螺釘在解剖鋼板固定時起到了更好的穩(wěn)定性作用，解剖鋼板螺釘對載距突起到拉力作用，圖5可以觀察到，解剖鋼板打入載距突的螺釘承受了較高的應力，而鎖定鋼板打入載距突的螺釘承擔應力成階段性分布，提示其發(fā)揮作用的不同。解剖鋼板及鎖定鋼板的內(nèi)固定應力和跟骨應力分布均無明顯集中現(xiàn)象，以跟骨鋼板前部應力分布較大，提示可以改進此類鋼板設(shè)計。

三維有限元分析在骨科領(lǐng)域應用比較廣泛，是骨科生物力學研究的主要方法[23]，進行有限元分析的前提是建立真實有效的實驗模型，Bouyssie J F等使用多項數(shù)字骨科有限元醫(yī)學軟件，證實骨組織形成三維模型所得到的結(jié)果與真實結(jié)果相一致[24]，因此本試驗模型具有較高準確性、仿真性。但是目前沒有對關(guān)節(jié)軟骨建模的報道，我們通過多次測量減少由關(guān)節(jié)軟骨引起的實驗誤差，由于關(guān)節(jié)軟骨準確貼附于下關(guān)節(jié)面，而且小于2 mm，這樣的誤差是可以接受的，保證了實驗的可靠性。

有限元分析雖然可以模擬復雜的人體足部情況，但仍有其局限性[25]：本實驗較少考慮人體復雜的結(jié)構(gòu)差異，僅靠CT數(shù)據(jù)建模；沒有考慮動態(tài)人體足部變化情況[26]。因此，本實驗是Sanders II型跟骨骨折內(nèi)固定分析的初步研究，下一步可以進行尸體標本試驗等內(nèi)容來進行研究，進一步為臨床治療提供依據(jù)。

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