旋后外旋型踝關節(jié)損傷有限元模型建立及外踝完整性對后踝關節(jié)面的力學變化分析*

張鑫 解品亮 費瀾 邵偉榮 徐小平 沈寶良 殷勇

（上海健康醫(yī)學院附屬嘉定區(qū)中心醫(yī)院骨科，上海 201800）

踝關節(jié)骨折約占全身骨折的3.9%，發(fā)生率位居關節(jié)內骨折首位，其中14%～44%累及后踝，并且多存在踝關節(jié)不穩(wěn)定[1]。后踝指脛骨遠端腓切跡后側、后結節(jié)（Volkmann 結節(jié)）、踝溝、內踝后丘等結構，為脛腓骨遠端復合體的組成部分，其作用為增加脛距關節(jié)接觸面積，降低脛距關節(jié)單位面積壓力，防止距骨后移，參與并維持踝關節(jié)穩(wěn)定性[2,3]。后踝骨折大部分合并外踝骨折及踝關節(jié)周圍韌帶損傷，尤其在旋轉暴力所致的旋后外旋型踝關節(jié)骨折中[4]，單獨出現(xiàn)者少見；若復位欠佳，易發(fā)生創(chuàng)傷性關節(jié)炎，影響踝關節(jié)功能[5]。

通常在治療踝關節(jié)旋后外旋型損傷時，外踝骨折的解剖重建及堅強固定是容易實現(xiàn)的[6,7]，目前治療的爭議在于后踝骨折如何判斷是否需要并如何行有效固定[8]；目前觀點認為部分后踝骨塊盡管較小但對于維持下脛腓的穩(wěn)定性仍具有重要作用[9]。此時，探索外踝重建前后對于后踝關節(jié)面的力學變化，將直接影響后踝骨折塊的穩(wěn)定性，間接影響下脛腓及踝關節(jié)整體穩(wěn)定性，最終結果可能會對旋后外旋型損傷中后踝骨折的治療提出新的思路。本研究通過建立旋后外旋型踝關節(jié)損傷有限元模型，模擬在不同程度損傷時外踝完整與否，觀察后踝關節(jié)面受力情況并進行力學分析，為踝關節(jié)旋后外旋型踝關節(jié)骨折外踝重建完成后后踝固定思路提供生物力學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 踝關節(jié)CT圖像的采集

選取1 名健康成年志愿者，既往無踝關節(jié)骨折、脫位等損傷病史，排除踝關節(jié)關節(jié)炎、骨病及骨腫瘤等病理狀態(tài)。使用CT對志愿者的右踝關節(jié)行薄層掃描，掃描層厚0.625 mm，得到512×512 像素的圖像657張，輸出DICOM格式保存。CT掃描過程中，受試者踝關節(jié)處于旋后位非負重狀態(tài)。

1.2 三維重建及優(yōu)化

將DICOM格式圖像導入Mimics 21.0軟件中，對圖像分割，分別重建出脛骨、距骨、腓骨，并把距骨下面的多塊骨骼（包括跟骨、足舟骨、內外側楔骨、骰骨、中間楔骨）融合，重建出其三維模型（圖1）。將上述重建中提取出的數(shù)據(jù)存為.STL 格式文件，導出的數(shù)據(jù)為三角面片模型，存在著畸形、扭曲、表面過于粗糙等不良結構現(xiàn)象。利用工業(yè)軟件GEOMAGICS 可以對Mimics 21.0 導出的數(shù)據(jù)進行三角面片細分、降噪、光順化處理，并通過精確曲面等過程對其進行曲面化，最終形成三維實體模型，以利于后續(xù)的處理以及有限元模型建立及分析。

1.3 有限元模型的建立

將優(yōu)化好的三維模型導入Solidworks 軟件，通過參考文獻確定韌帶的附著點和解剖位置，將獲得的幾何模型導入ABAQUS 軟件中建立有限元模型，共計362 351 個節(jié)點，261 420 個單元（圖1）。骨和韌帶簡化為各向同性、均質線彈性材料，材料參數(shù)見表1[10,11]。韌帶與骨、跟骨與距骨之間采用綁定接觸，距骨、脛腓骨、跟骨間軟骨與骨采用面面接觸，摩擦系數(shù)取0.2，最終建立有限元分析模型。

圖1 旋后外旋型踝關節(jié)損傷有限元分析模型建立過程

表1 材料參數(shù)

1.4 有限元模型的驗證及分析

本部分模型載荷參數(shù)為距骨下表面固定，脛骨與腓骨近端加載自重載荷及內旋力用以模擬旋后外旋型損傷。在距骨下表面設定全自由度X、Y、Z三個方向固定約束，在脛骨與腓骨上表面附近建立一個參考點，與上表面自由度耦合，施加自重載荷（脛骨上表面受壓480 N，腓骨上表面受壓120 N）以及內旋力（逐漸加大內旋力，模擬至Ⅳ度損傷）。對模型脛、腓骨下端的上截面施加600 N垂直壓縮載荷，固定跟骨，約束距骨，測得踝關節(jié)面的最大接觸應力為2.1059 MPa 和接觸面積為373.658 mm2（圖2），模型有效[12]。計算結果指標以最大應力位置、關節(jié)面壓力等數(shù)據(jù)表示。

圖2 旋后外旋型踝關節(jié)損傷有限元分析模型有效性驗證

2 結果

2.1 旋后外旋Ⅰ度損傷模型

1.5 N·m 內旋力時應力最大值位于脛腓前韌帶腓骨附著點為51.05 MPa，后踝關節(jié)面最大壓力值為2.549 MPa（圖3）。

圖3 旋后外旋Ⅰ度損傷時應力分布情況

2.2 旋后外旋Ⅱ度損傷模型

通過去除脛腓前韌帶，外踝保留完整，此時繼續(xù)加載10 N·m 內旋力，計算結果表明，加載10 N·m 內旋力時應力最大值位于脛腓后韌帶脛骨附著點為271.2 MPa，后踝關節(jié)面壓力最大值為2.626 MPa（圖4）。

圖4 旋后外旋脛腓前韌帶損傷時應力分布情況

在去除脛腓前韌帶基礎上，從后上向前下繪制腓骨骨折線，構建Ⅱ度損傷骨折模型（圖5）。計算結果表明，加載10 N·m 內旋力時應力最大值位于腓骨骨折面為82 MPa；后踝關節(jié)面壓力最大值為7.787 MPa（圖6）。

圖5 旋后外旋型踝關節(jié)損傷中外踝骨折模型建立

圖6 旋后外旋Ⅱ度損傷外踝骨折時應力分布情況

2.3 旋后外旋Ⅲ度損傷模型

在去除脛腓前韌帶基礎上，外踝保留完整，繼續(xù)去除脛腓后韌帶建立損傷模型；加載內旋力，計算結果表明，去除脛腓后韌帶后應力最大值位于距腓后韌帶腓骨附著點為132.7 MPa，關節(jié)面壓力峰值落到了腓骨側為4.505 MPa（圖7）。

圖7 旋后外旋Ⅲ度脛腓后韌帶損傷時應力分布情況

在去除脛腓前、后韌帶基礎上，從后上向前下繪制腓骨骨折線，構建旋后外旋Ⅲ度損傷模型。計算結果表明，應力最大值位于腓骨骨折面為82.72 MPa，后踝關節(jié)面壓力最大值為8.022 MPa（圖8）。

圖8 旋后外旋Ⅲ度脛腓后韌帶損傷合并外踝骨折時應力分布情況

3 討論

Lauge-Hansen 于1948～1954 年對踝關節(jié)旋轉暴力導致的低能量骨折提出經(jīng)典的Lauge-Hansen分型與解釋說明。其根據(jù)損傷時足的位置和變形力量對踝關節(jié)骨折利用雙重命名方式進行分類，系統(tǒng)解釋了旋轉暴力所致的踝關節(jié)骨折。其中70%為旋后外旋型（supination-external rotation type）骨折，系足處于旋后位受外旋暴力所致。其中Ⅲ-Ⅳ度損傷累及后踝的骨性結構或相關韌帶。

于濤等[13]通過三維熱圖分析的方法發(fā)現(xiàn)大部分的后踝骨折線集中于一條弧形帶狀區(qū)域，帶狀區(qū)域起于距離后緣切線1/7～2/7的位置，止于距離外緣切線5/11～7/11的位置；后踝骨折塊占脛骨遠端關節(jié)面總面積的比例為14.96%。過去認為，后踝骨折塊面積占比超過25%是后踝骨折的手術治療指征。Drijfhout van Hooff 等[14]發(fā)現(xiàn)，后踝骨折面積占脛骨關節(jié)面5%～25%時骨關節(jié)炎發(fā)生率約48%，大于25%時骨關節(jié)炎發(fā)生率高達54%，且除外內固定手術無法維持優(yōu)良的復位狀態(tài)[15]。

Mangnus等[16]認為后踝骨折線位置可能比骨折面積的大小對穩(wěn)定性的影響更大，即使后踝骨折很小，也會影響踝關節(jié)穩(wěn)定。有研究者在術后CT掃描上證實后踝骨折影響下脛腓韌帶的穩(wěn)定性，不固定的后踝可導致脛腓關節(jié)半脫位[17,18]。近年來有文獻發(fā)現(xiàn)，后踝骨折塊的固定能夠恢復下脛腓后韌帶的張力，有助于改善下脛腓聯(lián)合的復位，所獲得的穩(wěn)定性更優(yōu)于下脛腓螺釘固定的效果。甚至有學者認為，只要存在后踝骨折，無論骨折塊多大，都應進行解剖重建，以減少下脛腓螺釘?shù)氖褂肹19]。因此對于后踝骨折的治療僅憑骨塊的大小判斷是否需要手術并不可靠。

本研究所構建的旋后外旋型踝關節(jié)損傷模型，CT圖像采集時踝關節(jié)的初始位置處于旋后位；構建三維模型后，通過對模型脛、腓骨下端的上截面施加600 N 垂直壓縮載荷，固定跟骨，約束距骨，對模型驗證有效；通過距骨下表面固定，脛骨與腓骨近端加載自重載荷及內旋力用以模擬旋后外旋型損傷。當施加1.5 N·m內旋力時，應力最大值位于脛腓前韌帶腓骨附著點，符合臨床中Lauge-Hansen分型的描述[20]。

通過去除脛腓前韌帶，同時構建外踝骨折與外踝保留完整相比較；繼續(xù)加載10 N·m 內旋力時，應力最大值由外踝骨折端位置轉變?yōu)槊勲韬箜g帶脛骨側附著點；后踝關節(jié)面壓力最大值由7.787 MPa減小為2.626 MPa；后踝最大受力部位出現(xiàn)明顯后移。通過去除脛腓后韌帶，同時構建外踝骨折與外踝保留完整相比較；應力最大值由骨折斷端及Ⅱ度損傷的脛腓后韌帶脛骨側附著點轉變?yōu)榫嚯韬箜g帶腓骨附著點；在Ⅲ度損傷中，外踝重建完成后，關節(jié)面的受力情況由脛骨轉為腓骨側，這可能與踝關節(jié)存在的不穩(wěn)定有關系[21]；而后踝關節(jié)面壓力由8.022 MPa 明顯減小至2.628 MPa，此時壓力大小與Ⅰ度損傷時接近。后踝受力部位較Ⅱ度損傷并未出現(xiàn)明顯變化。

分析上述的數(shù)據(jù)可以得出，在旋后外旋型踝關節(jié)損傷時外踝的解剖重建及堅強固定可以明顯減少后踝關節(jié)面的應力；同時解剖重建的完成，將會使得應力的最大分布由骨折斷端轉為韌帶附著點，同時后踝最大受力部位出現(xiàn)明顯后移。這就意味著旋后外旋型踝關節(jié)損傷的外踝重建完成后，應力的作用下后踝骨折的垂直不穩(wěn)定將明顯減小，由于韌帶的牽拉導致旋轉不穩(wěn)定將會更加明顯，最大應力比為132.7∶4.5；所以后踝骨折來說旋轉穩(wěn)定性的建立可能比垂直穩(wěn)定性更加重要。若后踝骨折及脛腓后韌帶穩(wěn)定性得不到滿足，較正常人后踝關節(jié)面的最大接觸應力增大到正常2 倍多，進一步加重踝關節(jié)不穩(wěn)定。因此在旋后外旋型踝關節(jié)損傷外踝重建后方結構將對踝關節(jié)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，這與Mangnus 等[16]、Gardner 等[17]的 觀點 不 謀而 合。至 于后踝骨折內固定方式的選擇，兩枚螺釘墊片就已經(jīng)具備良好的抗旋轉性，而Buttress接骨板抗垂直暴力更優(yōu)；所以內固定選擇兩枚螺釘墊片可能對于外踝重建后的旋后外旋型踝關節(jié)損傷中后踝骨折已經(jīng)足夠，但這需要進一步的生物力學研究證明。

本研究的不足之處在于，暫未進一步對累及三角韌帶及內踝骨折的Ⅳ度損傷、后踝骨折構建以及內固定方式的選擇進行進一步的探索。

4 結論

本研究表明，旋后外旋型踝關節(jié)損傷外踝重建對后踝關節(jié)面應力變化具有重要意義，當外踝重建完成后能夠明顯減小后踝關節(jié)面的壓力分布，此時后踝骨折及脛腓后韌帶穩(wěn)定性重建意義將凸顯。