楊攀1,2， 章瑩2， 劉堅(jiān)3， 肖進(jìn)2， 葉林強(qiáng)1

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)，廣州?510006；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院，廣州?510010；

3.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣州?510010

【摘要】?目的?通過(guò)三維有限元對(duì)鎖定鋼板內(nèi)置和外置固定SandersⅡ型跟骨骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行比較，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。方法?建立SandersⅡ型跟骨骨折分別予以鎖定鋼板內(nèi)置位固定和外置位固定的三維有限元模型，在相同條件下分別對(duì)鎖定鋼板兩種不同固定模型加載，行線性有限元分析，分別計(jì)算兩種固定模型的應(yīng)力分布情況。

結(jié)果?在中立位載荷下兩種固定模型跟骨骨折線最大位移均小于跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)指征的骨折線分離或移位≥1 mm的標(biāo)準(zhǔn)；兩種固定模型跟骨最大主應(yīng)力峰值都主要位于跟骨結(jié)節(jié)周?chē)べ|(zhì)骨，均小于骨屈服強(qiáng)度95 Mpa；兩種固定模型鎖定鋼板系統(tǒng)最大主應(yīng)力峰值主要位于鋼板中間部，均小于內(nèi)固定失效強(qiáng)度225 MPa。

結(jié)論?鎖定鋼板內(nèi)置與外置固定SandersⅡ型跟骨骨折，其生物力學(xué)穩(wěn)定性都令人滿意，而鎖定鋼板外置在臨床上有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】跟骨；骨折；有限元分析；鎖定鋼板?

【中圖分類(lèi)號(hào)】R687.3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A?【DOI】10.13418/j.issn.1001-165x.2014.06.021

? ? 跟骨骨折主要發(fā)生于?20～40?歲中青年人，占所有跗骨骨折的?60％，多由于高處墜落傷，由縱向垂直暴力所致。對(duì)于涉及關(guān)節(jié)面且移位明顯的跟骨骨折，采取切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定已成為目前最常用治療方法，但最近國(guó)內(nèi)學(xué)者張國(guó)柱等[1,2]應(yīng)用鎖定鋼板外置治療跟骨 骨 折 ，初 步 臨 床 研 究 表 明 鎖 定 鋼 板 外 置 治 療SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折具有創(chuàng)傷小、感染率低、關(guān)節(jié)面復(fù)位滿意且固定可靠等優(yōu)點(diǎn)。但目前尚未有比較鎖定鋼板內(nèi)置和外置固定跟骨骨折生物力學(xué)報(bào)道，本研究擬通過(guò)三維有限元來(lái)分析鎖定鋼板內(nèi)置和外置固定?SandersⅡ跟骨骨折的生物力學(xué)，為臨床治療方案提供決策依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?三維有限元模型建立

選取健康志愿者?1?名，男，36?歲，體重?60 kg,經(jīng)過(guò)X?線檢查排除足踝部損傷或疾病。雙側(cè)足踝作螺旋CT?平掃（64?排雙源螺旋?CT，層厚?1mm）所得數(shù)據(jù)以Dicom?格式保存。將二維?Dicom?格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入?Mimics14.0?軟件，根據(jù)不同組織灰度值的差異，通過(guò)閾值化分、增長(zhǎng)及相應(yīng)的蒙版編輯操作，構(gòu)建得到正常跟骨三維模型。將上述模型以點(diǎn)云文件格式導(dǎo)入?Geomagic 12.0?軟件進(jìn)行光滑松弛等處理。以?Igs格式導(dǎo)入?Solidworks 2013?軟件得到跟骨實(shí)體。通過(guò)分割等命令模擬?SandersⅡ型跟骨骨折[3]，將骨折斷端分別保存為零件。結(jié)合跟骨三維解剖數(shù)據(jù)，根據(jù)辛迪斯公司提供產(chǎn)品信息，應(yīng)用?Solidworks 2013?軟件重建跟骨鎖定鋼板，螺釘以直徑?3.5 mm?圓柱體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以零件格式保存。利用?Solidworks?軟件中的“裝配體”功能模塊模擬骨折復(fù)位，利用裝配體中“評(píng)估測(cè)量”工具來(lái)測(cè)量鎖定鋼板上表面和跟骨皮質(zhì)骨表面之間距離，以此來(lái)模擬內(nèi)置和外置固定模型。由于跟骨外側(cè)皮質(zhì)骨表面不是一個(gè)平面，因此本研究定義鎖定鋼板上表面與皮質(zhì)骨表面最小距離為?0.13 mm、最大距離為?0.60 mm，以此來(lái)模擬內(nèi)置固定模型；鎖定鋼板上表面與皮質(zhì)骨表面最小距離為?14.61 mm、最大距離為?14.98 mm，以此模擬外置固定模型。分別 將 上 述 固 定 模 型 以 實(shí) 體 零 件 并 保 存 備 用 。將SandersⅡ型跟骨骨折固定模型導(dǎo)入至有限元分析軟件Ansys14.0 Workbench中，進(jìn)行前處理（圖1）。

1.2?材料屬性及邊界條件

? ? ?本研究中內(nèi)固定和骨的相關(guān)材料均簡(jiǎn)化為各向同體的均質(zhì)性彈性材料，材料屬性參考相關(guān)文獻(xiàn)[4,5](表?1)。

設(shè)定骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為?0.2[6]，螺釘與鋼板綁定，螺釘與跟骨摩擦，以此來(lái)模擬“鎖定”狀態(tài)。兩種固定模型劃分網(wǎng)格后得到單元節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)：內(nèi)置模型（1059174，634514），外置模型（1108973，663561）。

1.3?加載負(fù)荷

? ? ? 按照相關(guān)文獻(xiàn)[7]設(shè)定跟骨模型加載點(diǎn)為跟骨后距關(guān)節(jié)面、中距關(guān)節(jié)面自上向下分別加載?420 N、200N，跟骨結(jié)節(jié)處自下向上加載?300 N；起自于跟骨的足內(nèi)在肌對(duì)跟骨牽拉引起的拉力可以通過(guò)力的合成與分解原理給予抵消。設(shè)定跟骰關(guān)節(jié)面和跟骨與地面接觸的最低點(diǎn)自由度為?0。在三維跟骨模型上來(lái)模擬跟骨中立位鎖定鋼板不同置放方式的應(yīng)力情況。

1.4?評(píng)價(jià)指標(biāo)

? ?通過(guò)以下指標(biāo)評(píng)定：(1)骨折線之間位移分布、最大位移；(2)跟骨應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值；(3)鋼板螺釘系統(tǒng)應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值。

2?結(jié)果

2.1?骨折線之間位移分布情情況

模型加載后，鎖定鋼板內(nèi)置固定模型骨折線之間位移峰值為?0.103 mm，主要位于距下關(guān)節(jié)面；鎖定鋼板外置固定模型骨折線之間位移峰值為?0.127 mm，主要位于距下關(guān)節(jié)面。兩種固定模型位移分布具體情況見(jiàn)（圖2）。

2.2?跟骨應(yīng)力分布情況

? ? 模型加載后，鎖定鋼板內(nèi)置固定模型跟骨最大主應(yīng)力峰值為?75.942 Mpa，主要位于跟骨結(jié)節(jié)周?chē)べ|(zhì)骨；鎖定鋼板外置固定模型跟骨最大主應(yīng)力峰值為87.585 Mpa，主要位于跟骨結(jié)節(jié)周?chē)べ|(zhì)。兩種固定模型最大主應(yīng)力分布具體情況見(jiàn)（圖3）。

2.3?鋼板螺釘系統(tǒng)應(yīng)力情況

? 模型加載后，鎖定鋼板內(nèi)置固定模型鋼板螺釘系統(tǒng)最大主應(yīng)力峰值為?158.370 Mpa，主要位于鋼板中間部；位移峰值為?0.112 mm，主要位于載距突螺釘遠(yuǎn)端。鎖定鋼板外置固定模型鋼板螺釘系統(tǒng)最大主應(yīng)力峰值為?116.570 Mpa，主要位于鋼板中間部；位移峰值為?0.153 mm，主要位于載距突螺釘遠(yuǎn)端。兩種固定模型應(yīng)力分布具體情況見(jiàn)（圖4）。

3?討論

3.1 SandersⅡ型跟骨骨折固定有限元模型的建立

? ?有限元法是對(duì)連續(xù)體力學(xué)及物理問(wèn)題的一種新的數(shù)值求解方法。由于有限元法具有計(jì)算復(fù)雜形狀、載荷和材料性能的獨(dú)特能力，有限元方法被廣泛地應(yīng)用于骨科研究，如應(yīng)用于骨、韌帶、關(guān)節(jié)等組織器官的生物力學(xué)特性分析[8,9]。本研究原始數(shù)據(jù)基于序列?CT掃描后獲得的?Dicom?數(shù)據(jù)，導(dǎo)入?Mimics14.0?軟件提取數(shù)據(jù)進(jìn)行初步建模后，利用?Geomagic?對(duì)跟骨皮質(zhì)骨表面進(jìn)行降噪噪、光滑、松弛等處理，形成光滑、無(wú)交叉的?NURBS?曲面。同時(shí)區(qū)分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，使模型更加接近真實(shí)。在?Solidworks?軟件中根據(jù)《synthes骨科創(chuàng)傷產(chǎn)品目錄》給出的尺寸，這與經(jīng)?CT掃描重建出來(lái)的鎖定鋼板模型減少了金屬偽影的干擾。同時(shí)根 據(jù) 骨 折 類(lèi) 型 的 要 求 進(jìn) 行 切 割 跟 骨 ，使 其 形 成Sanders?Ⅱ型跟骨骨折[3]。根據(jù)文獻(xiàn)[1,2]提示：鎖定鋼板與皮膚距離為?10 mm?定義為外置?？紤]到皮膚和軟組織存在，本研究設(shè)定鎖定鋼板上表面與皮質(zhì)骨表面最小距離為?14.61 mm、最大距離為?14.98?mm，以此來(lái)確保鎖定鋼板外置與臨床相似。設(shè)定鎖定鋼板上表面與皮質(zhì)骨表面最小距離為?0.13 mm、最大距離為0.60 mm，以此來(lái)模擬臨床鎖定鋼板內(nèi)置模型?；谝陨辖?，大幅度縮短建模時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圖像信息的無(wú)損傳遞，能夠獲得較為可靠的有限元模型并對(duì)臨床真實(shí)應(yīng)力情況進(jìn)行分析。

3.2?鎖定鋼板固定?SandersⅡ型跟骨骨折應(yīng)力分布特點(diǎn)

? ??跟骨骨折特別是涉及到跟骨關(guān)節(jié)面的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，是一種嚴(yán)重而復(fù)雜的創(chuàng)傷，目前鎖定鋼板外置固定?SandersⅡ型跟骨骨折的生物力學(xué)機(jī)制尚未有明確報(bào)道。黃海晶等[10]認(rèn)為跟骨骨折距下關(guān)節(jié)面塌陷是距下關(guān)節(jié)炎、腓骨肌腱嵌壓、跟骨外側(cè)壁增寬等骨折后所有病理變化的主因，在臨床治療中優(yōu)先先解決距下關(guān)節(jié)面塌陷問(wèn)題，恢復(fù)跟骨正常高度。從本研究結(jié)果來(lái)看，當(dāng)跟骨受到軸向壓力時(shí)，鎖定鋼板兩種置放方式骨折線之間最大位移都位于距下關(guān)節(jié)，尤其是距中、距后關(guān)節(jié)面，此研究結(jié)果與鎖定鋼板固定?SandersⅡ型跟骨骨折有限元分析結(jié)果相類(lèi)似[7]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)鎖定鋼板內(nèi)外置放固定?SandersⅡ型跟骨骨折骨折線之間最大位移并沒(méi)有明顯差異，且都小于?1mm（跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)指征的骨折線分離或移位≥1 mm?的標(biāo)準(zhǔn)）[11]，由此說(shuō)明鎖定鋼板兩種置放方式對(duì)恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整，預(yù)防距下關(guān)節(jié)塌陷有著等同的力學(xué)特性。

? 應(yīng)力結(jié)果顯示，鎖定鋼板內(nèi)置的跟骨最大主應(yīng)力峰值?75.942 Mpa，應(yīng)力主要集中在跟骨結(jié)節(jié)周?chē)べ|(zhì)骨，鎖定鋼板外置的跟骨最大主應(yīng)力峰值為?87.585MPa，應(yīng)力主要集中于跟骨結(jié)節(jié)皮質(zhì)骨周?chē)?，且兩者峰值均小于骨屈服?qiáng)度?95 Mpa[12]。相對(duì)于內(nèi)置而言，鎖定鋼板外置對(duì)跟骨應(yīng)力分布以及峰值并沒(méi)有顯著影響。同時(shí)在內(nèi)外置這兩者模型中，鋼板螺釘系統(tǒng)最大主應(yīng)力峰值都主要位于鋼板中間部，最大位移都主要位于載距突螺釘遠(yuǎn)端，且這兩者最大主應(yīng)力峰值均小于內(nèi)固定屈服強(qiáng)度?225 MPa，由此說(shuō)明中立位載荷下鎖定鋼板均不會(huì)失效。

3.3?臨床意義

? 對(duì)于波及關(guān)節(jié)內(nèi)的跟骨骨折而言，鋼板內(nèi)置為目前最推崇的方式，使復(fù)雜跟骨骨折實(shí)現(xiàn)滿意復(fù)位，達(dá)到可靠固定，但對(duì)于?SandersⅡ型及部分Ⅲ型骨折，采用廣泛性“L”型外側(cè)切口，切口創(chuàng)傷較大，出血多，術(shù)中軟組織剝離較多，特別是術(shù)后易造成皮膚損傷、肌腱和神經(jīng)的刺激等并發(fā)癥[13,14]，且文獻(xiàn)常有局部感染、鋼板外露報(bào)道。近年來(lái)，隨著?BO?原則的確立，微創(chuàng)技術(shù)得到了一定發(fā)展，其中有鋼板外置應(yīng)用于鎖骨、脛骨骨折治療的相關(guān)報(bào)道[15]。Zhang?等[1,2,16]認(rèn)為鎖定鋼板外置固定?SandersⅡ、III?型跟骨折近期療效有以下優(yōu)點(diǎn):皮膚切口小，軟組織損傷小;發(fā)生感染的機(jī)會(huì)小;關(guān)節(jié)面的復(fù)位容易操作;降低了二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn);能有效固定粉碎骨折;無(wú)需植骨;費(fèi)用低廉。但也存在著不足:結(jié)節(jié)內(nèi)翻和上移糾正較困難;跟骨外側(cè)壁膨出不易控制;患者生活不便。?

3.4?本研究不足之處

? 有以下幾點(diǎn)：①假定跟骨周?chē)∪寒a(chǎn)生的力相互抵消，僅以垂直方向的力作為加載進(jìn)行有限元分析。這是一種簡(jiǎn)化后的加載方式，所以所得的應(yīng)力分布與實(shí)際狀況存在一定的偏差；②實(shí)驗(yàn)中涉及的生物的材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性,實(shí)際情況則是構(gòu)成人體組織的生物材料具有各向異性、不均勻性、非線性等特征；③單元?jiǎng)澐帧⒐?jié)點(diǎn)的選擇、載荷和邊界條件的規(guī)定在一定程度上是人為的且不能與人體真實(shí)情況完全一致；④本研究未充分考慮螺釘排列方式對(duì)鎖定鋼板固定力學(xué)穩(wěn)定性的影響；⑤本研究未考慮在外置情況下鋼板上表面與跟骨皮質(zhì)骨最遠(yuǎn)距離大于15 mm對(duì)骨折固定力學(xué)穩(wěn)定性的影響。

? ? ?總之，鎖定鋼板內(nèi)置與外置固定?SandersⅡ型跟骨骨折，其生物力學(xué)穩(wěn)定性令人滿意，而鎖定鋼板外置在臨床上有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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