锁定钢板内置和外置固定SandersⅡ型跟骨骨折的三维有限元分析

杨攀1,2， 章莹2， 刘坚3， 肖进2， 叶林强1

1.广州中医药大学，广州 510006；2.广州军区广州总医院骨科医院，广州 510010；

3.广州军区广州总医院，广州 510010

【摘要】 目的 通过三维有限元对锁定钢板内置和外置固定SandersⅡ型跟骨骨折的生物力学稳定性进行比较，为临床应用提供理论依据。方法 建立SandersⅡ型跟骨骨折分别予以锁定钢板内置位固定和外置位固定的三维有限元模型，在相同条件下分别对锁定钢板两种不同固定模型加载，行线性有限元分析，分别计算两种固定模型的应力分布情况。

结果 在中立位载荷下两种固定模型跟骨骨折线最大位移均小于跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1 mm的标准；两种固定模型跟骨最大主应力峰值都主要位于跟骨结节周围皮质骨，均小于骨屈服强度95 Mpa；两种固定模型锁定钢板系统最大主应力峰值主要位于钢板中间部，均小于内固定失效强度225 MPa。

结论 锁定钢板内置与外置固定SandersⅡ型跟骨骨折，其生物力学稳定性都令人满意，而锁定钢板外置在临床上有着潜在的应用价值。

【关键词】跟骨；骨折；有限元分析；锁定钢板 

【中图分类号】R687.3【文献标识码】A 【DOI】10.13418/j.issn.1001-165x.2014.06.021

    跟骨骨折主要发生于 20～40 岁中青年人，占所有跗骨骨折的 60％，多由于高处坠落伤，由纵向垂直暴力所致。对于涉及关节面且移位明显的跟骨骨折，采取切开复位内固定已成为目前最常用治疗方法，但最近国内学者张国柱等[1,2]应用锁定钢板外置治疗跟骨 骨 折 ，初 步 临 床 研 究 表 明 锁 定 钢 板 外 置 治 疗SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折具有创伤小、感染率低、关节面复位满意且固定可靠等优点。但目前尚未有比较锁定钢板内置和外置固定跟骨骨折生物力学报道，本研究拟通过三维有限元来分析锁定钢板内置和外置固定 SandersⅡ跟骨骨折的生物力学，为临床治疗方案提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 三维有限元模型建立

选取健康志愿者 1 名，男，36 岁，体重 60 kg,经过X 线检查排除足踝部损伤或疾病。双侧足踝作螺旋CT 平扫（64 排双源螺旋 CT，层厚 1mm）所得数据以Dicom 格式保存。将二维 Dicom 格式保存的数据导入 Mimics14.0 软件，根据不同组织灰度值的差异，通过阈值化分、增长及相应的蒙版编辑操作，构建得到正常跟骨三维模型。将上述模型以点云文件格式导入 Geomagic 12.0 软件进行光滑松弛等处理。以 Igs格式导入 Solidworks 2013 软件得到跟骨实体。通过分割等命令模拟 SandersⅡ型跟骨骨折[3]，将骨折断端分别保存为零件。结合跟骨三维解剖数据，根据辛迪斯公司提供产品信息，应用 Solidworks 2013 软件重建跟骨锁定钢板，螺钉以直径 3.5 mm 圆柱体进行简化处理，以零件格式保存。利用 Solidworks 软件中的“装配体”功能模块模拟骨折复位，利用装配体中“评估测量”工具来测量锁定钢板上表面和跟骨皮质骨表面之间距离，以此来模拟内置和外置固定模型。由于跟骨外侧皮质骨表面不是一个平面，因此本研究定义锁定钢板上表面与皮质骨表面最小距离为 0.13 mm、最大距离为 0.60 mm，以此来模拟内置固定模型；锁定钢板上表面与皮质骨表面最小距离为 14.61 mm、最大距离为 14.98 mm，以此模拟外置固定模型。分别 将 上 述 固 定 模 型 以 实 体 零 件 并 保 存 备 用 。将SandersⅡ型跟骨骨折固定模型导入至有限元分析软件Ansys14.0 Workbench中，进行前处理（图1）。

1.2 材料属性及边界条件

     本研究中内固定和骨的相关材料均简化为各向同体的均质性弹性材料，材料属性参考相关文献[4,5](表 1)。

设定骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为 0.2[6]，螺钉与钢板绑定，螺钉与跟骨摩擦，以此来模拟“锁定”状态。两种固定模型划分网格后得到单元节点和单元数：内置模型（1059174，634514），外置模型（1108973，663561）。

1.3 加载负荷

      按照相关文献[7]设定跟骨模型加载点为跟骨后距关节面、中距关节面自上向下分别加载 420 N、200N，跟骨结节处自下向上加载 300 N；起自于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。设定跟骰关节面和跟骨与地面接触的最低点自由度为 0。在三维跟骨模型上来模拟跟骨中立位锁定钢板不同置放方式的应力情况。

1.4 评价指标

   通过以下指标评定：(1)骨折线之间位移分布、最大位移；(2)跟骨应力分布、应力峰值；(3)钢板螺钉系统应力分布、应力峰值。

2 结果

2.1 骨折线之间位移分布情情况

模型加载后，锁定钢板内置固定模型骨折线之间位移峰值为 0.103 mm，主要位于距下关节面；锁定钢板外置固定模型骨折线之间位移峰值为 0.127 mm，主要位于距下关节面。两种固定模型位移分布具体情况见（图2）。

2.2 跟骨应力分布情况

    模型加载后，锁定钢板内置固定模型跟骨最大主应力峰值为 75.942 Mpa，主要位于跟骨结节周围皮质骨；锁定钢板外置固定模型跟骨最大主应力峰值为87.585 Mpa，主要位于跟骨结节周围皮质。两种固定模型最大主应力分布具体情况见（图3）。

2.3 钢板螺钉系统应力情况

  模型加载后，锁定钢板内置固定模型钢板螺钉系统最大主应力峰值为 158.370 Mpa，主要位于钢板中间部；位移峰值为 0.112 mm，主要位于载距突螺钉远端。锁定钢板外置固定模型钢板螺钉系统最大主应力峰值为 116.570 Mpa，主要位于钢板中间部；位移峰值为 0.153 mm，主要位于载距突螺钉远端。两种固定模型应力分布具体情况见（图4）。

3 讨论

3.1 SandersⅡ型跟骨骨折固定有限元模型的建立

   有限元法是对连续体力学及物理问题的一种新的数值求解方法。由于有限元法具有计算复杂形状、载荷和材料性能的独特能力，有限元方法被广泛地应用于骨科研究，如应用于骨、韧带、关节等组织器官的生物力学特性分析[8,9]。本研究原始数据基于序列 CT扫描后获得的 Dicom 数据，导入 Mimics14.0 软件提取数据进行初步建模后，利用 Geomagic 对跟骨皮质骨表面进行降噪噪、光滑、松弛等处理，形成光滑、无交叉的 NURBS 曲面。同时区分皮质骨和松质骨，使模型更加接近真实。在 Solidworks 软件中根据《synthes骨科创伤产品目录》给出的尺寸，这与经 CT扫描重建出来的锁定钢板模型减少了金属伪影的干扰。同时根 据 骨 折 类 型 的 要 求 进 行 切 割 跟 骨 ，使 其 形 成Sanders Ⅱ型跟骨骨折[3]。根据文献[1,2]提示：锁定钢板与皮肤距离为 10 mm 定义为外置。考虑到皮肤和软组织存在，本研究设定锁定钢板上表面与皮质骨表面最小距离为 14.61 mm、最大距离为 14.98 mm，以此来确保锁定钢板外置与临床相似。设定锁定钢板上表面与皮质骨表面最小距离为 0.13 mm、最大距离为0.60 mm，以此来模拟临床锁定钢板内置模型。基于以上建模，大幅度缩短建模时间，实现图像信息的无损传递，能够获得较为可靠的有限元模型并对临床真实应力情况进行分析。

3.2 锁定钢板固定 SandersⅡ型跟骨骨折应力分布特点

    跟骨骨折特别是涉及到跟骨关节面的关节内骨折，是一种严重而复杂的创伤，目前锁定钢板外置固定 SandersⅡ型跟骨骨折的生物力学机制尚未有明确报道。黄海晶等[10]认为跟骨骨折距下关节面塌陷是距下关节炎、腓骨肌腱嵌压、跟骨外侧壁增宽等骨折后所有病理变化的主因，在临床治疗中优先先解决距下关节面塌陷问题，恢复跟骨正常高度。从本研究结果来看，当跟骨受到轴向压力时，锁定钢板两种置放方式骨折线之间最大位移都位于距下关节，尤其是距中、距后关节面，此研究结果与锁定钢板固定 SandersⅡ型跟骨骨折有限元分析结果相类似[7]。此外，本研究发现锁定钢板内外置放固定 SandersⅡ型跟骨骨折骨折线之间最大位移并没有明显差异，且都小于 1mm（跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1 mm 的标准）[11]，由此说明锁定钢板两种置放方式对恢复关节面平整，预防距下关节塌陷有着等同的力学特性。

  应力结果显示，锁定钢板内置的跟骨最大主应力峰值 75.942 Mpa，应力主要集中在跟骨结节周围皮质骨，锁定钢板外置的跟骨最大主应力峰值为 87.585MPa，应力主要集中于跟骨结节皮质骨周围，且两者峰值均小于骨屈服强度 95 Mpa[12]。相对于内置而言，锁定钢板外置对跟骨应力分布以及峰值并没有显著影响。同时在内外置这两者模型中，钢板螺钉系统最大主应力峰值都主要位于钢板中间部，最大位移都主要位于载距突螺钉远端，且这两者最大主应力峰值均小于内固定屈服强度 225 MPa，由此说明中立位载荷下锁定钢板均不会失效。

3.3 临床意义

  对于波及关节内的跟骨骨折而言，钢板内置为目前最推崇的方式，使复杂跟骨骨折实现满意复位，达到可靠固定，但对于 SandersⅡ型及部分Ⅲ型骨折，采用广泛性“L”型外侧切口，切口创伤较大，出血多，术中软组织剥离较多，特别是术后易造成皮肤损伤、肌腱和神经的刺激等并发症[13,14]，且文献常有局部感染、钢板外露报道。近年来，随着 BO 原则的确立，微创技术得到了一定发展，其中有钢板外置应用于锁骨、胫骨骨折治疗的相关报道[15]。Zhang 等[1,2,16]认为锁定钢板外置固定 SandersⅡ、III 型跟骨折近期疗效有以下优点:皮肤切口小，软组织损伤小;发生感染的机会小;关节面的复位容易操作;降低了二次手术的风险;能有效固定粉碎骨折;无需植骨;费用低廉。但也存在着不足:结节内翻和上移纠正较困难;跟骨外侧壁膨出不易控制;患者生活不便。 

3.4 本研究不足之处

  有以下几点：①假定跟骨周围肌群产生的力相互抵消，仅以垂直方向的力作为加载进行有限元分析。这是一种简化后的加载方式，所以所得的应力分布与实际状况存在一定的偏差；②实验中涉及的生物的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性,实际情况则是构成人体组织的生物材料具有各向异性、不均匀性、非线性等特征；③单元划分、节点的选择、载荷和边界条件的规定在一定程度上是人为的且不能与人体真实情况完全一致；④本研究未充分考虑螺钉排列方式对锁定钢板固定力学稳定性的影响；⑤本研究未考虑在外置情况下钢板上表面与跟骨皮质骨最远距离大于15 mm对骨折固定力学稳定性的影响。

     总之，锁定钢板内置与外置固定 SandersⅡ型跟骨骨折，其生物力学稳定性令人满意，而锁定钢板外置在临床上有着潜在的应用价值。

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