夾板外固定和鋼板螺釘內(nèi)固定治療SandersⅡ型跟骨骨折的有限元分析研究

周 杰 曾得明 黃 菲

1 廣東省佛山市中醫(yī)院 528000； 2 佛山市第四人民醫(yī)院

跟骨是人體運(yùn)動(dòng)的重要支點(diǎn)，是運(yùn)動(dòng)損傷中較常見的病種，跟骨骨折的發(fā)生率占全身所有骨折的1%～2%，手術(shù)治療方式是目前處理跟骨骨折的重要方法，得到了廣大臨床醫(yī)生的普遍共識(shí)[1]。但由于跟骨的不規(guī)則結(jié)構(gòu)、骨折類型多樣，以及跟骨周圍皮膚軟組織容易缺血壞死及術(shù)后容易感染等因素，使得跟骨骨折手術(shù)治療難度和術(shù)后風(fēng)險(xiǎn)大大增加[2]。近年來，非手術(shù)治療在臨床逐漸得到重視，非手術(shù)的優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)單，方便易行，無創(chuàng)操作治療，能夠較好地減輕患者疼痛，控制腫脹和早期活動(dòng)[3]。最近國(guó)內(nèi)學(xué)者等用夾板外固定治療跟骨骨折，取得了不錯(cuò)的臨床效果。但目前尚未有比較鋼板內(nèi)固定和夾板外固定治療跟骨骨折生物力學(xué)報(bào)道，本研究擬通過三維有限元分析來比較鋼板內(nèi)固定和夾板外固定治療 SandersⅡ型跟骨骨折的生物力學(xué)的差異，為臨床治療方案提供生物力學(xué)理論決策依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 選取1名健康男性志愿者進(jìn)行研究，年齡33歲，身高171cm，體重65kg。與受試者簽署知情同意書。

1.2 方法 通過選取該志愿者跟骨進(jìn)行逐層掃描，掃描層間距為0.4mm，掃描長(zhǎng)度約70cm，掃描范圍包括脛骨平臺(tái)上緣至足跟部,掃描數(shù)據(jù)全部以DICOM格式保存，掃描結(jié)果顯示掃描范圍內(nèi)骨骼肌肉等生理結(jié)構(gòu)全部正常，完全符合有限元研究所需選擇的健康成年人標(biāo)準(zhǔn)，然后建立完整跟骨與典型 SandersⅡ型跟骨骨折的三維有限元模型, 對(duì)骨折模型分別模擬采用夾板外固定、鋼板螺釘內(nèi)固定。

1.3 建模方法

1.3.1 模型構(gòu)建：將CT圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式全部導(dǎo)入Mimics17.0軟件。然后通過閾值選擇、圖像分割、區(qū)域增長(zhǎng)、平滑去噪等程序獲得包括脛骨、腓骨、跟骨及踝關(guān)節(jié)周緣骨骼的幾何模型以及小腿肌皮幾何模型(圖1)，然后將模型以點(diǎn)云形式輸出，隨后以逆向處理的方式將跟骨模型導(dǎo)入solidworks 2018中一獲取骨模型與肌皮模型封閉的曲面。在此基礎(chǔ)上，模擬SandersⅡ型跟骨骨折切割跟骨建立，骨折平面構(gòu)建骨折模型，基于solidworks逆向重建功能構(gòu)建跟骨鋼板螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)以及夾板外固定系統(tǒng)的模型(圖2)。

圖1 基于CT原始圖像數(shù)據(jù)重建包含踝關(guān)節(jié)及脛腓骨的小腿幾何模型

圖2 構(gòu)建跟骨骨折模型及鋼板螺釘系統(tǒng)

接著將上述構(gòu)建的幾何模型部件導(dǎo)入有限元軟件 ABAQUS 6.14(達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán), 美國(guó))中，裝配各部件后分別建立跟骨骨折夾板外固定模型和跟骨骨折鋼板螺釘內(nèi)固定模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。確定單元類型并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)不同材料進(jìn)行賦值(表1)[4-6]。采用四面體網(wǎng)格對(duì)各部件分配到相應(yīng)的單元網(wǎng)格。同時(shí)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)不同位置的外固定夾板及鋼板螺釘進(jìn)行賦值(表1)，用于模擬夾板外固定以及鋼板螺釘內(nèi)固定后的狀態(tài)[7-8]。夾板固定模型單元數(shù)量為144 502個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為464 122個(gè)，鋼板螺釘固定模型單元數(shù)量為175 821個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為512 451個(gè)。根據(jù)韌帶結(jié)構(gòu)的特性，參考楊鵬等[9]對(duì)關(guān)節(jié)韌帶的有限元設(shè)定建立韌帶Truss模型并匹配到相應(yīng)的位置上。

表1 材料屬性表

1.3.2 載荷工況設(shè)定：模擬人體站立位時(shí)下肢半負(fù)重受力狀態(tài)，對(duì)足底肌皮所有單元xyz方向自由度約束為0，設(shè)置力的加載方式為垂直足底方向，同時(shí)將200N的力均勻地作用于脛骨平臺(tái)表面。在鋼板螺釘內(nèi)固定模型中，設(shè)定鋼板與跟骨外側(cè)面呈捆綁約束關(guān)系，螺釘與宿主骨間呈面面接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.6。夾板外固定模型中參照李永耀等[10]報(bào)道對(duì)內(nèi)外側(cè)夾板均勻施加30N載荷以此模擬繃帶約束作用，其中載荷方向垂直于夾板表面(圖3)。

圖3 夾板有限元模型(上圖)及載荷工況設(shè)定(下圖)

1.4 軟件數(shù)據(jù)處理 載荷工況設(shè)定完成后提交數(shù)據(jù)分析，記錄分析跟骨骨折的峰值應(yīng)力、后關(guān)節(jié)面平均應(yīng)力及骨折端相對(duì)位移的情況。骨折端的位移是指在加載前后骨折間隙的變化情況。在跟骨骨折模型上，沿著骨折端的兩端和中點(diǎn), 選擇16對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算16 對(duì)節(jié)點(diǎn)在加載前后的距離變化，進(jìn)而反映骨折端移位。而后關(guān)節(jié)面應(yīng)力主要是選擇跟骨后關(guān)節(jié)面區(qū)域所有單元并計(jì)算其平均應(yīng)力值大小。

2 結(jié)果

對(duì)于SandersⅡ型跟骨骨折的夾板外固定和鋼板螺釘內(nèi)固定模型，提交有限元分析結(jié)果并完成收斂。應(yīng)力云圖結(jié)果顯示(圖4，表2)，兩組的骨折塊應(yīng)力峰值均在合理范圍內(nèi), 表明兩種固定方式均有效，維持了骨折后跟骨應(yīng)力穩(wěn)定傳遞。其中鋼板螺釘組峰值應(yīng)力為3.78MPa，大于夾板組的3.34MPa，同時(shí)應(yīng)力云圖中可觀察到鋼板組應(yīng)力峰值出現(xiàn)在釘?shù)栏郊c宿主骨交界的上方區(qū)域，而夾板組峰值應(yīng)力位于后關(guān)節(jié)面區(qū)域，這是因?yàn)槁葆斣诰S持骨塊穩(wěn)定的同時(shí)由于其彈性模量遠(yuǎn)高于正常骨，應(yīng)力遮擋的作用在周圍骨區(qū)域形成應(yīng)力集中，而夾板固定中完全不存在此類現(xiàn)象，而主要表現(xiàn)為后關(guān)節(jié)面區(qū)域應(yīng)力增高，這是正常的應(yīng)力傳遞導(dǎo)致。雖然，后關(guān)節(jié)面區(qū)域平均應(yīng)力夾板組高于鋼板螺釘組，但二者差距并不大。在位移方面，兩組模型位移云圖有明顯相似，都表現(xiàn)在內(nèi)側(cè)骨折塊位移最為顯著，其中夾板組位移峰值為0.025mm大于鋼板螺釘組，但二者差距并不大。此外，數(shù)據(jù)顯示夾板組骨折線附近相對(duì)位移為0.005mm要大于鋼板螺釘組，這說明夾板或鋼板螺釘固定均能維持骨塊穩(wěn)定，但夾板的作用要小于鋼板螺釘，但數(shù)據(jù)顯示其二者的差距并不明顯。

圖4 夾板外固定、鋼板螺釘內(nèi)固定有限元分析云圖

表2 夾板外固定、鋼板螺釘內(nèi)固定治療SandersⅡ型跟骨骨折有限元分析的應(yīng)力及位移情況

雖然鋼板螺釘相對(duì)于夾板固定更為穩(wěn)定，但由于螺釘植入其與宿主骨之間界面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中, 而導(dǎo)致局部應(yīng)力增加。夾板固定同樣能維持SandersⅡ型骨折的穩(wěn)定，與螺釘固定在功效上差距并不明顯，且由于夾板固定為無創(chuàng)治療方法，無須切開植入內(nèi)植入，因此在治療SandersⅡ型骨折上有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 討論

跟骨骨折作為創(chuàng)傷骨折的常見病種，由于其骨骼的不規(guī)則結(jié)構(gòu)特性和骨折的復(fù)雜性，跟骨骨折依然中存在不確定性，尋找規(guī)范安全有效治療模式，降低并發(fā)癥發(fā)生，加速骨折愈合，提高跟骨功能康復(fù)仍是跟骨骨折治療的熱點(diǎn)[11]。近年來雖然微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，由于跟骨骨折結(jié)構(gòu)的特殊性，目前依舊沒有辦法在關(guān)節(jié)鏡下進(jìn)行多角度復(fù)位[12]。相比而言，非手術(shù)的優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)單、方便易行、無創(chuàng)安全、并發(fā)癥少且固定可靠等，加上在許多臨床觀察中其療效并不比手術(shù)差，甚至更有優(yōu)勢(shì)，方法包括手法整復(fù)、小夾板或石膏外固定、繃帶包扎固定、中醫(yī)理筋手法、傳統(tǒng)中醫(yī)藥、現(xiàn)代物理治療等。但是非手術(shù)治療缺乏規(guī)范系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本研究通過運(yùn)用有限元軟件，對(duì)骨折后內(nèi)固定的生物力學(xué)進(jìn)行分析，從而對(duì)中醫(yī)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

在本研究中，筆者根據(jù)健康志愿者足部 CT掃描所獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建的跟骨骨折內(nèi)固定三維有限模型形態(tài)逼真。其中應(yīng)用軟件制作的塑形鋼板，可以與骨折曲面基本吻合，很好地反映了鋼板的生物力學(xué)及外科手術(shù)的要求。筆者同時(shí)認(rèn)為夾板除能對(duì)骨折區(qū)域具備很好地穩(wěn)定維持作用，更是從中醫(yī)整體觀出發(fā)，將踝關(guān)節(jié)骨骼、肌腱、肌肉、皮下脂肪及皮膚作為一個(gè)完整的整體進(jìn)行有效的彈性固定，既最大限度地減少了創(chuàng)傷，保證了良好的血運(yùn)，又可以對(duì)骨折進(jìn)行有效的外固定，既有利于早期功能訓(xùn)練又很好地保證了骨折的快速愈合。本研究中所建立的夾板外固定模型，除了內(nèi)固定方式不同之外，其他對(duì)應(yīng)條件基本一致，具有較好的可比性。從研究結(jié)果可以看出，夾板外固定模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與鋼板螺釘內(nèi)固定治療的強(qiáng)度相當(dāng)，夾板的等效應(yīng)力小于鋼板內(nèi)固定材料，夾板外固定與鋼板螺釘外固定的骨折移位相當(dāng)，其中夾板外固定應(yīng)力分布相對(duì)均勻; 而普通鋼板固定應(yīng)力相對(duì)集中，由于鋼板內(nèi)固定主要是依靠螺釘對(duì)鋼板的垂直壓力和鋼板與骨骼接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力起作用。但鋼板內(nèi)固定作為侵入性治療會(huì)造成跟骨面的骨膜和骨質(zhì)破壞，而跟骨又以松質(zhì)骨為主，術(shù)后容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)面塌陷，進(jìn)而影響跟骨的穩(wěn)定性和骨折的臨床愈合[13]。通過有限元模擬試驗(yàn)，鋼板內(nèi)固定與夾板固定治療SandersⅡ型跟骨骨折兩者的生物力學(xué)穩(wěn)定性都令人滿意，而夾板外固定在臨床上有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。本研究也從生物力學(xué)的角度為跟骨骨折的臨床研究提供了理論參考。