两种方式固定 Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性
文题释义：有限元分析：运用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。通过计算机运算模拟将载荷、形态、材料结构和力学性能较为复杂的整体划 分为有限个简单的单元，进而充分反映整体内外部应力、应变、位移等力学参数的变化。跟骨骨折Sanders分型：跟骨骨折以足跟部剧烈疼痛、肿胀和瘀斑明显、足跟不能着地行走及跟骨压痛为主要表现。Sanders分型基于CT冠 状位扫描图像，在CT冠状位上选择跟骨后距关节面最宽处由外向内分为3份，分别代表骨折线的位置。
摘要 背景：对于Sanders Ⅱ型跟骨骨折，锁定钢板内固定的“L型”切口易发生皮瓣坏死等并发症，而撬拨复位后空心螺钉内固定可以很好地避 免此问题，但仍然缺乏内固定效果的评价。目的：基于有限元分析方法，比较研究Sanders Ⅱ型跟骨骨折2种固定方式的固定效果与力学稳定性。方法：筛选1名男性志愿者(25岁，身高175 cm，体质量75 kg)，应用断层CT对胫骨中段至全足行全层连续扫描。通过CT扫描数据，建立完 整跟骨的三维有限元分析模型。模拟Sanders Ⅱ型跟骨骨折，分别行锁定钢板固定(锁定钢板组)及撬拨复位后空心螺钉加压固定(空心螺钉 组)。对两组模型施加相同约束与载荷下比较2种固定方式的应力分布、位移情况及骨折块位移表现。
结果与结论：①空心螺钉内固定的应力集中于骨折线接触附近，最大Von Mises应力达53.948 MPa，横向空心螺钉相较纵向螺钉位移较大， 最大位移达0.175 37 mm；锁定钢板内固定应力与位移均集中于钢板中部螺钉孔附近，其最大Von Mises应力达129.95 MPa；骨折线位移空 心螺钉组(0.015 77 mm)小于锁定钢板组(0.021 03 mm)；②两组内固定的最大应力均低于材料的屈服强度；③两组跟骨模型在距下关节附近 发生最大位移；④结果表明，空心螺钉与锁定钢板内固定用于治疗Sanders Ⅱ型跟骨骨折均具有良好的稳定性，且撬拨复位空心螺钉内固 定具有减少术后并发症发生等优点，是Sanders Ⅱ型跟骨骨折较为推荐的内固定方式。
关键词：跟骨骨折；Sanders II型骨折；骨折内固定；有限元分析；生物力学
0 引言 Introduction
跟骨骨折一般由高处坠落等轴向应力损伤导致，占全 身骨折的 1%-2%，是临床常见骨折之一 [1]。约有 75% 的跟 骨骨折涉及关节面，若得不到适当及时的治疗极易造成跟距 关节继发创伤性关节炎，后期将伴有足跟部疼痛、行走功能 障碍等后遗症，对患者的生活质量及心理健康造成了严重影 响 [2]。因此，为提高跟骨骨折的愈合率及避免手术相关并发 症的发生，探讨不同内固定方式治疗跟骨骨折的治疗效果成 为骨科临床治疗的研究方向。
有限元分析是运用有限元方法分析动静态物理系统的方 法。基于有限元的方法，将物体分散为有限数目的单元构成 的集合体，各个单元通过定义接触在节点上相互连接，通过 运算各个单元来求解整体的未知变量。在结合生物力学、计 算力学等仿真类似技术的基础上，有限元分析得到了广泛的 进步与发展，在骨科生物力学领域成为了有效的计算实验方 法 [3-10]。
通过对人体结构的仿真与数字建模、模型的数据计算与 处理等手段，可以有效地分析计算人体结构的应力、应变、 强度与稳定效果。对于复杂情况下的分析计算，通过简化模 型的方法处理数据量过大的复杂问题，展现出了强大的处理 能力。
为了探讨跟骨骨折微创与传统治疗方法的治疗效果与生 理载荷下的力学稳定性，该研究通过建立跟骨关节内骨折的 三维有限元模型，对 Sanders Ⅱ型跟骨骨折行锁定钢板内固 定与撬拨复位空心螺钉加压固定的固定效果及力学稳定性进 行分析比较。
1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 基于有限元分析方法进行 CT 数据分析。
1.2 时间及地点 2020 年 12 月至 2021 年 3 月在山东中医药 大学骨科教研室完成。
1.3 对象 以 1 名男性志愿者 (25 岁，身高 175 cm，体质量 75 kg) 为研究对象，排除足跟部病变、畸形等异常情况。该 志愿者对实验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。
1.4 实验仪器和相关软件 德国西门子 CT(SOMATOM Definition)；医学影像学软件 Mimics 21.0(Materialise 公司， 比利时 )；三维结构优化软件 Geomagic Studio 2017(Rainrrop 公司，美国 )；Solidworks 2018 软件 (Dassarlt Systemes SA 公 司，美国 )；力学分析软件 Anasys 21.0(ANSYS 公司，美国 )。
1.5 方法
1.5.1 数据获取及三维建模 应用螺旋 CT 对志愿者胫骨中段 至全足部行全层连续扫描，电压为 120 kV，电流为 150 mA， 扫描层厚为 0.5 mm，获得 512×512 矩阵的 CT 图像数据 (Dicom 格式 )。
获得数据导入 Mimics 21.0 软件，通过阈值分割、区域 增长及三维重建等蒙版编辑操作，初步获得正常跟骨的三维 有限模型。模型经过光滑处理后，以 STL 格式导入 Geomagic Studio 2017 软件。在 Geomagic Studio 2017 软件中通过光滑 曲面、松弛、整体偏移等操作建立松质骨及皮质骨部分，装 配后得到跟骨的面实体模型。CT提取的初步模型与光滑模型， 见图 1。
1.5.2 内固定模型的建立 将跟骨模型导入 Solidworks 2018 软件，在软件中建立锁定钢板系统 ( 跟骨锁定钢板及锁定螺 钉，钛合金材质 ) 及空心螺钉 ( 螺钉全长 90 mm，螺纹部直 径 7.3 mm，螺钉空杆部直径 6 mm，中空部分直径 4 mm， 钛合金材质 ) 等模型。在 Solidworks 2018 软件中将跟骨模型 与内固定通过原点重合、布尔运算等操作分别进行装配， 获得 Sanders Ⅱ型跟骨骨折的两种内固定方式模型。依据相 关参考文献 [11-12]，定义装配模型材料的具体材料性质，见 表 1。
1.5.3 网格划分 为了方便软件运算和后期的数据分析，通 过 ANASYS 21.0 软件划分有限元网格。将跟骨模型的网格 平均尺寸定义为 1 mm，内固定模型的网格平均尺寸定义为 0.6 mm，网格均设定为四面体单元，将跟骨与内固定物的 网格进行细化处理。空心螺钉组有限元网格模型中，节点数 1 109 136 个，有限单元数 731 693 个；锁定钢板组有限元网 格模型中，节点数522 081个，有限单元数299 023个，见图2。
为了保证模型网格的计算精度及运算收敛，依据参考文 献[13]的研究经验，对载荷加载的时间迭代运算进行分段设置， 并对非线性接触部分进行网格加密，保证模型的运算收敛性。1.5.4 边界条件及载荷分析 跟骨的受力情况相对复杂，作 为足部最大的跗骨，其结构为不规则的长方体 [1]。跟骨周围 的肌腱和韧带数量较多，产生的力学稳定性影响存在不确定 性，完整的数字模拟存在较大难度 [14]。因此，该研究的受 力模型简化跟骨的受力情况，忽略韧带及次要韧带的影响， 只讨论静止站立位的力学稳定性。依据参考文献 [7，12]， 将跟骰关节面和跟骨与地面接触最低点处的节点定义完全约 束，在 X、Y、Z 轴上的活动度均为 0。各骨折块之间的接触 设定为摩擦，摩擦系数 0.2，空心螺钉及锁定螺钉与跟骨的 接触设定摩擦，摩擦系数设定为 0.5；锁定螺钉与钢板之间 的接触设定为绑定，锁定钢板与跟骨的接触不考虑加压摩擦。在设定好工况的跟骨三维有限元模型上运算中立位下的力学 稳定情况。依据参考文献 [10] 的设定条件，模拟跟骨中立位 下各位置的施加载荷，见表 2。
1.6 主要观察指标 空心螺钉内固定组与锁定钢板内固定组 2 个有限元模型在同种载荷加载工况下表现出的模型各部分 最大位移和 Von Mises 应力分布，评价两种内固定方式固定 Sanders Ⅱ型骨折的力学稳定性。
2 结果 Results
2.1 模型有效性验证 为了验证模型的合理有效性，运算跟 骨完整模型在不同工况加载情况下的最大 Von Mises 应力， 并与现有研究文献 [15] 的所得数据比较。在 3 种不同工况下， 此次研究模型的最大 Von Mises 应力与文献研究结果较为相 似，见图 3。考虑到各自模型的差异性，此次研究所建立的 模型是有效的。
2.2 模型的应力比较 2.2.1 内固定模型应力 空心螺钉组的应力主要集中在螺钉 与骨折线接触附近，最大应力值达到了 53.948 MPa，出现在 纵向螺钉附近。2 根横向螺钉的分析结果显示，应力出现明 显集中于内外侧骨折块骨折线附近，对抗内外侧骨折块载荷 承载下的分离形变。锁定钢板组的应力主要集中在钢板与锁 定螺钉附近，最大应力值为 129.95 MPa，出现在钢板中部螺 钉孔周围。空心螺钉组最大等效应力相较于锁定钢板组较小， 而锁定钢板组应力集中情况突出，应力分布结果见图 4。
2.2.2 两种内固定方式装配下跟骨的应力分布 两种内固 定方式下的跟骨模型均未出现明显的应力集中情况，整体 应力情况表现良好。两组内固定方式下，空心螺钉组的最 大等效应力为 60.053 MPa，锁定钢板组的最大等效应力为 129.95 MPa，应力分布云图见图 5。
2.3 模型的位移比较 2.3.1 内固定模型位移 空心螺钉组载距突附近的横向螺钉 发生了最大位移，最大位移为 0.175 37 mm。锁定钢板组最 大位移发生在距下关节附近的钢板中部螺钉孔及锁定螺钉 处，最大位移为 0.10 318 mm，见图 6。
2.3.2 两种内固定方式装配下跟骨的位移 空心螺钉组整体 的位移最大值为 0.214 02 mm，距下关节、载距突及关节面 骨折线周围的移位最为明显。锁定钢板组整体的位移最大值 为 0.135 72 mm，最大位移位于距下关节、载距突和关节面 骨折线附近。空心螺钉组的骨折线位移为 0.015 77 mm，而 锁定钢板组骨折线位移为 0.021 03 mm，表明空心螺钉组保 持骨折块相对稳定位置的效果优于锁定钢板组，位移云图见 图 7。
3 讨论 Discussion
跟骨骨折多由高处坠落等垂直方向的高能量损伤导 致 [16-20]，主要承力的跟骨外侧壁失去力学稳定性，影响足踝 部的正常功能。由于跟骨骨折大多涉及跟距关节，如若得不 到及时正确的治疗，预后往往不良，病废率较高。目前，跟 距关节内骨折的跟骨骨折大多选择手术治疗。选择经典的外 侧长“L”型切口切开复位植入钢板内固定是最常用的手术 方式，因能广泛显露跟骨外侧，这种术式在恢复跟骨 Bohler 角、Gissane 角及宽度、高度方面具有一定优势 [21]，但其切 口较大，术后常伴有切口附近皮瓣坏死等并发症，因此探讨 微创内固定技术在跟骨骨折的应用对于减少创伤、保护跟骨 外侧皮瓣等方面具有重要意义。撬拨复位空心螺钉加压内固 定技术具有操作简单、创伤小、可以避免术后切口并发症等 优点，一期愈合率高，其作为平衡保守治疗和经典手术治疗 优缺点的一种术式已经广泛应用于临床 [22-24]。
根据有限元分析结果，空心螺钉组模型的骨折线位移小 于锁定钢板组，表明空心螺钉组保持骨折块各部分相对位置 的效果要优于锁定钢板组。从结构角度分析，主要原因在于 垂直于骨折线的空心螺钉发挥了梁结构的效果，对于施加的 载荷有明显的应力承载作用，有效抵抗了载荷对骨折块的加 压变形，因此空心螺钉组的骨折线位移较小，其中横向的 2 枚空心螺钉发挥了重要作用，空心螺钉组内固定最大位移发 生在 2 枚横向螺钉上，打入载距突的横向螺钉对载距突起到 了拉力作用，在载荷加载下抵抗骨折线位移提供了更好的稳 定性作用。锁定钢板组的最大应力位于钢板中部螺钉孔附近，这是由锁定钢板与锁定螺钉的悬臂结构所决定的。位移结果 显示，锁定钢板内固定在承担载荷加载下的应力时，位移呈 现出阶段性分布。锁定钢板组维持关节面稳定的作用主要通 过锁定螺钉分散应力，以减弱载荷应力过于集中导致的钢板 屈服变形，但整体的受力结果显示仍然是钢板分担了更大的 载荷。由于锁定钢板内固定是通过锁定成角来发挥稳定的效 果，在载荷加载下对抗形变的效果相对不足，内固定的位移 较大。根据应力的计算结果，两种内固定方式在相同的加载 条件下，最大应力均远远小于其屈服强度 [25]，并且两组模型 骨折线的位移结果相差不大，说明两种内固定方式均可在骨 折早期保证骨折块的相对稳定，但空心螺钉组骨折线位移相 较于锁定钢板组较小。综合二者临床应用的优缺点，采用撬 拨复位空心螺钉加压内固定作为 Sanders Ⅱ型跟骨骨折的治 疗方式是较为推荐的。
与郭宗慧等 [10] 的有限元分析设定比较，此次研究中均 为单独的跟骨三维模型建立后的有限元分析，对跟骨周围软 骨、韧带结构等周围软组织均简化处理，在同样工况下的骨 折线最大位移与最大应力相差不大。在 ZHANG 等 [15] 构建的 有限元模型中，其对足踝部的骨及韧带等结构均细化考虑， 重建了跟骨周围结构，且载荷的加载及边界条件设置不同， 故有限元分析结果有较大的差异。有限元分析作为针对个体 案例的生物力学分析方法，在模型构建、材料属性、网格划 分及载荷加载等方面各研究者的设定有一定的差异性，模型 建立的个性化较强，但不同研究者的有限元分析结果在整体 上的等效应力与模型位移的变化趋势具有一定的参考意义。
临床研究文献表明，针对 Sanders Ⅱ、Ⅲ型的跟骨骨折， 撬拨复位后空心螺钉加压内固定的治疗方式可以获得良好的 临床疗效，术后切口愈合不良及皮缘坏死等并发症低 [26-28]。与切开复位锁定钢板内固定的治疗方式相比，二者的疗效相 当 [29]，并且可以进行早期锻炼以尽快恢复患肢功能 [30-31]，但 此种固定方式对于术者的操作经验及骨折的复位要求较高， 临床开展具有一定难度。现阶段临床上采用的骨科手术机器 人系统可以辅助骨科医生精准化小切口下的空心螺钉置钉， 满足骨折复位的基本原则，进一步提高了撬拨复位空心螺钉 内固定跟骨骨折的治疗良性率 [32]。
经典的“L”形切口切开复位锁定钢板内固定作为临床最 常用的跟骨骨折治疗方式，术野充分暴露和术者简便操作所 带来的切口附近皮缘软组织的广泛破坏、局部血运不良等负 面作用，可能会导致皮肤坏死和伤口迸裂，甚至出现跟骨骨 髓炎等手术并发症[33]，相较于撬拨复位空心螺钉的固定方法， 具有明显缺陷。研究表明，切开复位钢板内固定也是造成跟 骨创伤性关节炎与足踝附近关节功能恢复不佳的原因 [34]。胡凯等 [22] 针对空心螺钉和钢板内固定跟骨关节内骨折的 Meta 分析表明，Sanders Ⅱ型跟骨骨折的钢板内固定和空心 螺钉内固定的强度相似，但空心螺钉内固定组在手术时间、 减少术后并发症方面优于钢板内固定组。因此，综合考量两 种内固定方式的力学特性及临床应用优缺点，撬拨复位空心螺钉加压固定可能是一种更好的治疗 Sanders Ⅱ型跟骨骨折 的内固定方式。
综上所述，该研究通过有限元分析的生物力学方法比较 了 Sanders Ⅱ型跟骨骨折切开复位锁定钢板内固定及撬拨复 位后空心螺钉加压内固定的力学稳定性。撬拨复位后空心螺 钉加压内固定治疗 Sanders Ⅱ型跟骨骨折，在减少术后并发 症发生与加速骨折术后康复等方面具有较大优势，是 Sanders Ⅱ型跟骨骨折推荐的内固定方式。由于有限元分析中为了减 少计算压力，通常对实际情况进行简化考虑，以及骨骼组织 材料的各向异性、非线性问题被忽略，该研究仅能从实验角 度粗略描述模型的力学稳定性，但实验内容的整体变化趋势 与实际情况基本相符，对指导临床应用具有一定意义。
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