黄国伟 姜雪峰 韦 山
基金项目:无锡市卫生局卫生科研究项目( MS201533 )
作者单位: 214400 江苏省,江阴市人民医院骨科
【摘要】
目的 比较新型跗骨窦钢板与常规钢板固定跟骨关节内骨折的即刻稳定性｡
方法 采集1例正常男性的跟骨薄层CT数据集,建立新型跗骨窦钢板与常规跟骨钢板两种内植物固定SandersⅡ型跟骨关节内骨折(舌型和压缩型)的三维有限元模型｡分析四个模型在700N垂直压力下的应力分布和位移规律｡
结果 舌型骨折模型中,跗骨窦钢板固定时跟骨结节处钢板局部高应力集中,有金属疲劳风险;常规跟骨钢板的高应力区位于钢板前下部的钉板结合部｡关节面压缩型骨折模型中,跗骨窦钢板与常规跟骨钢板应力集中部位基本相同｡所有骨折模型的位移主要位于距下关节,越靠近载距突位移越大｡跗骨窦钢板的舌型骨折模型最大位移为0.27mm,其余三组最大位移为0.06~0.08mm｡
结论 新型跗骨窦钢板的初始稳定性与普通跟骨钢板基本相当,可运用于跟骨骨折内固定,但不建议早期负重功能锻炼｡
【关键词】 跟骨骨折内固定；应力；有限元分析
跟骨骨折的微创治疗是目前的研究热点｡跗骨窦入路治疗跟骨骨折具有损伤小､后关节面显露满意､切口并发症低等优点[1-3],但目前尚无标准的固定方式｡我院采用改良跟骨钢板联合跗骨窦入路治疗跟骨关节内骨折取得了较好的临床效果[4],再次窦入路治疗跟骨骨折具有损伤小､后关节面显露满意､切口并发症低等优点[1-3],但目前尚无标准的固定方式｡我院采用改良跟骨钢板联合跗骨窦入路治疗跟骨关节内骨折取得了较好的临床效果[4],再次改进为新型跗骨窦钢板｡通过建立SandersⅡ型跟骨舌型及压缩型骨折的有限元模型,对比常规跟骨钢板与新型跗骨窦钢板两种固定方式固定的跟骨骨折模型在轴向应力下的稳定性,探讨新型跗骨窦钢板进入临床使用的可行性｡
资料与方法
一、一般资料
选取正常男性志愿者1例,身高170cm,体重64kg,无下肢病变｡应用GE公司64排螺旋CT沿足部水平面扫描,层厚1.25mm,螺距1.25mm｡共得到119张CT图片,采用有效图片79张建模｡
二、方法
1.实体模型建立 使用Mimics 17.0软件根据CT影像灰度提取跟骨的三维轮廓,对皮质骨和松质骨进行辨别｡将采集的点云文件输入Geomagic 12.0,对输入的点云数据进行筛选,干净点云自动形成三角面片,运用基于曲率的孔充､光顺等操作处理,构建实体轮廓,然后对曲面域基于曲率划分,最后将生成的曲面转化成C1连续的非均匀有理B样条曲面｡
2.有限元模型建立 将生成的实体模型文件导入AVAQUS 13.4中,通过布尔运算建立模型｡常规跟骨钢板模型选用解剖型跟骨钢板(通用公司),新型跗骨窦钢板(专利号:ZL201420599947.4)｡建立4个模型:
(1)常规跟骨钢板固定的舌型骨折模型;
(2)常规跟骨钢板固定的压缩型骨折模型;
(3)新型跗骨窦钢板固定的舌型骨折模型;
(4)新型跗骨窦钢板固定的压缩型骨折模型｡
4个模型的跟骨骨折均为SandersⅡ型｡各模块用C3D10结构实体单元进行网格划分｡骨组织材料属性参数:皮质骨弹性模量10GPa,泊松比0.3;松质骨弹性模量1.45GPa,泊松比为0.2[5]｡钢板与螺钉的材料为钛合金,弹性模量200GPa,泊松比为0.28[6]｡
３．模型的限制及加载固定跟骨结节后下缘、跟骰关节最低点各方向自由度，模拟单足站立姿态。从距骨垂直向下均匀分布加载700Ｎ，模拟正常体重。
结果
一、跟骨骨折的有限元模型
对完整跟骨实体模型进行有限元网格划分,生成实体单元105 030个,节点20 021个;常规跟骨钢板固定的舌型骨折模型,生成实体单元213 412个,节点41 470个;常规跟骨钢板固定的压缩型骨折模型,生成实体单元20 4351个,节点39 018个;新型跗骨窦钢板固定的舌型骨折模型生成实体单元194 474个,节点39 218个;新型跗骨窦钢板固定的压缩型骨折模型,生成实体单元188 980个,节点37 839个｡
二、跟骨及内固定的应力分布与位移
１．完整跟骨应力分布
应力集中区主要在载距突,最大应力10.19MPa;中间三角为低应力区,应力分布与跟骨的生理受力基本一致｡完整跟骨的最大位移为0.048mm｡考虑建模误差和有限元计算误差,结果理想｡
2.常规跟骨钢板固定的舌型骨折
常规跟骨钢板固定舌型骨折时,应力主要集中于钢板Y型结点周围的钉板结合部,且多位于钢板的水平分支方向,最大应力38.94MPa｡受力后位移主要集中于跟骨后关节面,越靠近载距突位移越大｡该组的最大位移0.08mm｡(见封二图1)
3.常规跟骨钢板固定的压缩型骨折
常规跟骨钢板固定压缩型骨折时,应力集中于钢板后上方分支及Y型结点周围及钉板结合部,最大应力为38.77MPa｡受力后位移主要集中于跟骨后关节面,越靠近载距突位移越大,该组的最大位移为0.07mm｡(见封二图2)
4.新型跗骨窦钢板固定的舌型骨折 新型跗骨窦钢板固定舌型骨折时,在跟骨结节钢板尾翼的钉板结合部应力明显集中,达到145.81MPa｡受力后位移主要集中于跟骨后关节面,越靠近载距突位移越大,该组的最大位移为0.27mm｡(见封二图3,图4)
5.新型跗骨窦钢板固定的压缩型骨折
新型跗骨窦钢板固定压缩型骨折时,应力主要集中于钢板上方拐角周围的钉板结合部,最高应力49.52MPa｡受力后位移主要集中于跟骨后关节面,越靠近载距突位移越大,该组的最大位移为0.06mm｡(见封二图5,图6)
讨论
一、新型跗骨窦钢板的设计
常用的跟骨外侧“L”型入路存在的主要问题是软组织并发症发生率高[7],由于皮瓣剥离面积较广,易出现皮肤坏死､伤口不愈合及感染｡跗骨窦入路由于手术创伤小,切口并发症少,对后关节面显露满意,正逐渐受到重视,常用于SandersⅡ型及部分Ⅲ型跟骨骨折[1]｡我们采用改良跟骨钢板经跗骨窦入路治疗SandersⅡ､Ⅲ型跟骨骨折,将常规跟骨钢板去除下方水平分支后获得的改良钢板经跗骨窦入路插入,固定跟骨前突､后关节面及跟骨结节,维持跟骨Bohler角,临床效果良好[4]｡但与常规跟骨钢板相比,改良钢板对于跟骨结节下方无法获得直接固定,不利于跟骨内外翻的控制,且结构相对简单,固定可靠程度有限,因此术后开始负重功能锻炼时间较晚｡后对改良钢板做了进一步改进,钉孔处改为锁定结构,在钢板后方侧面添加了尾翼,通过尾翼的钉孔可以向下方打入螺钉固定跟骨结节下部，同时将原来改良钢板的长条形固定平面变成三维固定，理论上增加了固定的稳定性。
二､不同固定方法下的应力分布及稳定性
跟骨骨折多为垂直剪切暴力引起｡手术需恢复跟骨力线､高度及后关节面,然后采用钢板内固定｡跗骨窦钢板的前后端分别固定跟骨前突及跟骨结节骨块,中部螺钉可固定距下关节骨块｡在本组模型中,跟骰关节下方及跟骨结节下方自由度固定,因此前方及后方部分的钢板及螺钉位置相对固定,犹如两个桥墩,钢板中部犹如桥梁,承托距下关节面及载距突骨块｡由距骨垂直向下传导的应力首先作用于距下关节及载距突,然后通过内固定向前后方传导至跟骨前突及跟骨结节｡由于跟骨内侧解剖结构的复杂性,钢板一般置于跟骨外侧,而后关节面应力主要集中于内侧,内侧载距突的应力通过螺钉再向外传导至钢板,形成较长的力臂,因此在固定载距突骨块的螺钉的钉板结合部易形成应力集中,这在压缩型骨折模型中较明显｡在舌型骨折模型中,后关节面向跟骨结节的斜向分应力在跗骨窦钢板中仅由3枚螺钉承担,并且尾翼上的螺钉还承担了跟骨结节下方骨块所有的应力传导,因此在尾翼的钉板结合处有明显的应力集中｡位移和应力的测量都是检验多种不同模型力学稳定性的重要参数[8,9]｡跗骨窦钢板的舌型骨折模型最大位移为0.27mm,另三组最大位移为0.06~0.08mm,都位于载距突骨块｡在压缩型骨折模型中,跗骨窦钢板固定组的后外侧关节面骨块位移也较普通钢板组大,表明普通钢板固定组的稳定性要优于跗骨窦钢板组｡
三、临床意义
有限元分析的最终目的是为了指导临床应用。本试验显示在固定后关节面及载距突骨块的钉板结合部有相对较大的应力集中，因此术中该处的螺钉应尽量采用锁定螺钉，甚至排钉技术，以增强固定效果。在所有模型中载距突骨块处应力均较高，是位移最大的部位，因此载距突骨块应有尽量多的螺钉支撑固定以分担应力，增加固定强度，且跟骨内侧壁复位也应做到解剖复位，如果载距突骨块下方没有骨性的支撑，将会在内固定上形成更大的应力集中，容易导致内固定失效以及载距突骨块的塌陷。因此在内侧壁粉碎的骨折中需要通过跟骨结节沿内侧壁打入螺钉增加内侧的支撑效果。在固定舌型骨折时，跗骨窦钢板尾翼钉板结合部有明显增大的应力集中，有金属疲劳风险，因此有必要适当延长下地负重时间。
四、本研究的不足之处
有限元分析是骨生物力学测试中较简单、经济的方法，但试验状态与实际临床工作中的情况并不完全相符。实际的跟骨骨折形态常更复杂，有更多的骨碎片，压缩骨块撬拨复位后常存在骨缺损。由于跗骨窦切口的限制，有时并不能在钢板每个钉孔都布满螺钉，并且还可能使用普通螺钉或拉力螺钉。本试验模型还忽略了周围肌腱、韧带等软组织的应力，且并不能模拟螺钉、螺纹与骨组织咬合的力学情况，所有的模型都为标准的骨折类型，且都为理想的解剖复位，这些都是影响有限元分析结果的因素，精确分析应力的分布及内固定牢固程度仍需大量的生物力学实验。
