摘要：目的:探讨SandersⅡ型跟骨骨折微创治疗时螺钉不同固定方式后的生物力学特点。方法:将CT扫描后的跟骨Dicom数据输入Mimics 21.0软件及Ansys 15.0软件中构建跟骨三维有限元数字模型;将此模型导入UG NX10.0软件中,根据Sanders分型切割跟骨,建立后关节面塌陷的SandersⅡ型跟骨骨折模型;模拟跟骨骨折后微创螺钉内固定手术:将1枚螺钉自后关节面下方由外向内固定载距突,其余4枚螺钉分别自跟骨结节处根据不同方式固定跟骨,得出4种不同跟骨模型,在相同条件下分别对4种内固定模型加载,行非线性有限元分析,计算不同内固定模型的应力分布情况。结果:在相同条件加载下,模型三在骨缝间最大位移值、跟骨最大位移值、螺钉最大等效应力值方面均较其余3种内固定模型小,且应力更分散。结论:跟骨骨折微创螺钉内固定中,1枚载距突螺钉固定后,2枚螺钉自跟骨结节交叉固定后关节面,2枚螺钉自跟骨结节平行固定跟骰关节的固定方式更符合生物力学要求,为临床治疗提供必要的理论依据。
关键词：跟骨; 骨折; 微创; 有限元分析;
Finite element optimization analysis of minimally invasive screw treatment for Sanders type Ⅱ calcaneal fracture
GUO Zong-hui YAN Yong-qing TANG Yin WANG Jun-jie YANG Chang-chun PANG Qing-jiang
Department of Orthopaedics Centre,Huamei Hospital,University of Chinese Academy of Sciences
Abstract：Objective:To explore biomechanical characteristics of minimally invasive different screw fixations in treating Sanders type Ⅱ calcaneal fractures.Methods:Dicom data of calcaneus by CT scan were input into Mimics 21.0 software and Ansys15.0 software to construct three-dimensional finite element digital model of calcaneus;this model was input into UG NX10.0 software,and calcaneus was cut according to Sanders classification to establish Sanders type Ⅱ calcaneus model with posterior articular surface collapse;then simulated minimally invasive screw internal fixation after calcaneal fracture:a screw from posterior articular surface was used to outside-in fix sustentaculum tali,other 4 screws were used to fix calcaneus by different methods through calcaneal tuberosity,and 4 different calcaneal models were obtained.Under the same conditions,4 types of internal fixation models were loaded respectively,and nonlinear finite element analysis was performed to calculate the stress distribution of different internal fixation models.Results:Under the same condition of loading,the model 3 had smaller displacement value,maximum calcaneus displacement value and maximum equivalent stress value of the screw than other three internal fixation models,and the stress was more dispersed.Conclusion:In minimally invasive screw internal fixation of calcaneus fracture,after 1 sustentaculum tali screw fixation,2 screws crossed fix posterior articular surface from calcaneal tuberosity,2 screws fix parallelly calcaneocuboid joint from calcaneal tuberosity are more suitable for biomechanical requirements,and could provide basic theory for clinical treatment.
跟骨骨折是最常见的跗骨骨折，治疗方法繁多。随着微创理念在跟骨骨折中的推广及应用，经跗骨窦间隙有限切开撬拨复位结合螺钉内固定治疗是临床常用的微创治疗方法[1,2]。该方法较传统“L”入路具有创伤小、术后软组织并发症少等优点[3,4]。目前跟骨骨折微创螺钉内固定方式多种多样[5,6]，但具体哪种固定方式更符合生物力学要求尚缺乏理论依据。鉴于此，本研究先建立后关节面塌陷的SandersⅡ型跟骨骨折三维有限元模型，对模型进行螺钉不同内固定方式下的力学加载，进行生物力学优化分析。因此，本研究的目的是：（1）分析在同条件加载下不同螺钉固定方式下所承受的应力，对跟骨骨折的固定方式进行生物力学探讨。（2）通过生物力学对比探究SandersⅡ型跟骨骨折螺钉固定的优化方案。
1 资料与方法
1.1 一般资料
以1名40岁正常男性志愿者为试验对象，身高175 cm，体重70 kg;X线检查排除病变、畸形和损伤等异常情况。本院采用德国西门子4D双源CT(SOMATOM Definition）；宁波大学生物医学研究室提供如下软件：医学影像软件Mimics 21.0 (Materialise公司，比利时）；建模软件UG NX 10.0(SIEMENS PLM SOFTWARE公司，德国）；有限元分析软件（Ansys 15.0 ANSYS公司，美国）。
1.2 试验方法
1.2.1 数据采集
对志愿者自胫骨中下段至全足行中立位4D双源CT扫描，扫描层厚为0.3 mm；扫描后获得512×512矩阵的CT图像数据360层，用Dicom格式进行保存。
1.2.2 三维模型建立
Mimics 21.0软件直接读取Dicom格式文件，建立跟骨三维模型。将建立的模型导入Geomagic Studio 2013软件中，在三维实体模型的基础上经表面光滑，减少三角形等运算得到经过面网格优化后的模型，导出NURBS曲面。利用UG NX 10.0软件读取NURBS曲面，根据Sanders分型将跟骨模型切割，造成SandersⅡ型跟骨骨折，后关节塌陷；通过器械商（AO）提供的螺钉信息，螺钉定位直径3.5 mm皮质骨螺钉5枚，即1枚螺钉自后关节面下方向内侧固定载距突，其余4枚螺钉均对称自跟骨结节周围打入，根据不同的装配方式获得不同的模型。模型一：上部2枚螺钉平行固定后关节面，下部2枚螺钉平行固定跟骰关节；模型二：上部2枚螺钉平行固定后关节面，下部2枚螺钉交叉固定跟骰关节；模型三：上部2枚螺钉交叉固定后关节面，下部2枚螺钉平行固定跟骰关节；模型四：上部2枚螺钉交叉固定前关节面，下部2枚螺钉交叉固定跟骰关节。见图1。
将4种不同固定状态下的跟骨模型导入Ansys15.0软件中，经过设定单位元、材料赋值属性、划分单元网格获得跟骨三维有限元数字模型。模型中涉及的各种组织材料均简化为各向同体的均质性弹性材料；设定跟骨皮质骨厚度为1 mm，内为均质松质骨。为了更能体现骨折线处骨块的应力情况，在骨缝间用质软材料进行黏合。这种质软均质材料代替存在的骨折线，厚度设定为0.1 mm。跟骨模型内部各种材料的性能参数见表1[7]。
表1 跟骨模型内部各材料弹性性能参数
1.3 力加载方法
本试验设定跟骨模型加载点为跟骨后关节面，中关节面自上向下加载，跟骨结节处自下向上加载；跟骨的足内在肌对跟骨牵拉引起的拉力可以通过力的合成与分解原理给予抵消。跟骰关节面和跟骨与地面接触的最低点为约束点。在跟骨三维模型上模拟跟骨在中立位的受力情况。见图2。
图2 在跟骨三维模型上模拟跟骨在中立位的受力情况
2 结果
鉴于有限元分析计算结果，最大值对于力加载后的应力应变情况更有意义。因此，本试验采用载距突螺钉等效应力最大值、螺钉整体等效应力最大值（图3）、跟骨位移最大值（图4）、骨缝位移最大值（图5）作为衡量指标。见表2。
3 讨论
3.1 各模型的螺钉生物力学分析及临床意义
评判一种内固定的稳定性，不但从内固定对骨折固定的牢固程度评价，同时也要观察内固定本身的应力分布特点，进而对术式和内固定本身进行改良[8]。衡量一个良好内固定的生物力学标准是内固定本身的应力尽可能分散，因为应力集中容易出现内固定的断裂[9]。跟骨后关节面塌陷是由于跟骨受到距骨的垂直暴力造成的，将后关节面复位并稳定固定对于跟骨骨折的恢复至关重要[10]。同时，跟骨骨折复位也要求恢复跟骨的长宽高，长度通过下部2枚螺钉固定，高度通过上部2枚螺钉固定，载距突螺钉可良好的固定后关节面并为后关节面的骨块提供支撑，已获得临床广泛应用[11]。本试验均采用载距突螺钉内固定，不同螺钉内固定方式后的模型加载后载距突的等效应力最大值接近，证明不同内固定方式对载距突这枚螺钉影响不大。通过对上部螺钉、下部螺钉、整体螺钉的等效应力最大值比较发现，在模型三中均明显小于其余各组。因此，跟骨骨折时，上部螺钉交叉，下部螺钉平行固定方式更符合生物力学要求。
表2 不同跟骨模型加载后各材料间的应力应变情况
3.2 各模型的跟骨生物力学分析及临床意义
为了更好地贴合实际，本试验采用UG NX10.0软件对跟骨进行三维角度切割，使其成为后关节面塌陷的SandersⅡ型骨折，骨折块间采用弹性模量为5 MPa，泊松比0.4的软性均质材料黏合，以此代替骨折线[12,13]。结果采用骨折线位移值能更好地体现螺钉不同内固定状态下的骨折端的稳定情况。对SandersⅡ型跟骨模型进行加载后发现位移最大值均位于后关节面下方骨折线处。结果显示，同等条件加载下，骨折线部的位移值在模型三中最小。在跟骨有限元分析法中，衡量一种内固定器械对跟骨的稳定性，通过测量加载后跟骨的位移值，尤其是骨骼本身最大位移值同样很重要[14]。不同内固定方式下跟骨骨折模型的位移最大值均位于跟骨后关节面，这与后关节面下方中央三角区的存在，骨折后局部塌陷，复位后局部骨缺损导致缺乏有力支撑有关系，与临床情况吻合[15]。结果表明不同内固定方式下，在同等条件加载下，模型三（即上面2枚交叉，下面2枚螺钉平行时）跟骨的最大位移值最小，对跟骨整体的稳定性更加，跟骨更稳定。
3.3 螺钉的选材
目前在临床上跟骨骨折微创治疗中螺钉选择一般为空心钉、松质骨螺钉、皮质骨螺钉[16]。本试验给予单纯螺钉应力应变分析，最大位移值为0.086 049 mm，位于模型三上面2枚螺钉的头端，最大主应力为123.12 MPa，应力集中于模型二上面螺钉头部。随着中距关节面加载负荷的增大，固定于后关节面的2枚螺钉所受的应力同样会逐渐增大，这要求我们选择的螺钉应具有足够的抗应力性[17]；材料上，皮质骨螺钉较松质骨螺钉、空心钉抗应力强[18]。空心钉具有微创、固定方便的优点，但同时空心钉的使用也会造成骨端加压，引起跟骨的高度，长度丢失[19]。结合本试验结果笔者建议螺钉选材上采用皮质骨螺钉。
3.4 本研究的不足和展望
有限元分析法为近年来分析骨折内固定疗效的常用方法，相较于动物实验和尸体力学研究具有低成本、可重复的优势。通过多年的临床验证，有限元分析结果可以为临床工作提供理论依据[20]。然而有限元分析方法也有其弊端，需对加载对象进行必要的简化[21]。然而跟骨本身结构复杂，松质骨内骨小梁排列并不均匀，但是根据需要，都不可避免地将跟骨内部设置为均质来加载计算[22]。加之跟骨周围的腱性组织，如跟腱、跖筋膜、韧带、趾短屈肌腱对跟骨的力学影响尚有待于大量的生物力学研究[23]。
综上所述，本研究分别对SandersⅡ型跟骨骨折三维模型进行不同方式的螺钉内固定采用有限元优化分析法符合规范，结果客观准确。通过结果显示，跟骨骨折撬拨复位结合螺钉微创治疗时，1枚螺钉自后关节面下方固定载距突，2枚螺钉交叉固定后关节面，2枚螺钉平行固定跟骰关节面的固定方式无论在螺钉最大主应力值、跟骨及骨折线的位移值方面均优于其余各种内固定方式，更符合生物力学要求，为临床跟骨微创治疗提供理论依据，值得基层医院推广。
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