新型跟骨外固定支架治療Sanders ⅢAB型跟骨骨折的有限元分析

唐果 江民波 王德國 李洋

跟骨骨折是常見的跗骨骨折，涉及關(guān)節(jié)內(nèi)的跟骨骨折比例達到了75%[1]。切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)是跟骨骨折的常用治療手段，能夠提供堅強的固定。但存在手術(shù)時機難以把握、術(shù)后切口感染、皮緣壞死、二次取出等問題[2-3]。既往文獻報道認為，單純外固定支架無法提供堅強固定，有骨折復(fù)位丟失的風(fēng)險，所以外固定支架僅作為術(shù)前臨時牽引使用[4]。近年來，有學(xué)者提出采用外固定支架來治療跟骨骨折，結(jié)果顯示其治療效果與傳統(tǒng)內(nèi)固定相當(dāng)，但力學(xué)穩(wěn)定性仍存在爭議[5-6]。由于跟骨Sanders Ⅳ型骨折較為復(fù)雜，常需要切開進行骨折復(fù)位，再予以鋼板內(nèi)固定，而在跟骨Sanders Ⅲ型骨折分型中，Sanders ⅢAB型是較為常見的類型[1]?；诖?，為探究外固定支架治療是否適用于Sanders Ⅲ型骨折，本研究設(shè)計出一種新型外固定支架，采用限元分析方法建立跟骨Sanders ⅢAB型骨折及兩種固定治療模型，比較兩種固定方式的應(yīng)力分布規(guī)律及分析其力學(xué)穩(wěn)定性情況。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備

計算機配置型號：Ⅰntel（R）Core（TM）i7-45U，CPU 2.60 GHz，安裝內(nèi)存（RAM）：8 G，硬盤：500 G；CT型號：16排多層螺旋CT（德國Siemens公司）；軟件：Mimics 15.0（比利時Materialise公司），Ansys 12.0（美國Ansys公司），Abaqus 6.10（法國Dassault Systemes公司），Geomagic Studio 2012（美國Geomagic公司），Solidworks 2021（法國Dassault Systemes公司）。

1.2 新型外固定支架的特點及使用

新型外固定支架主要由上臂、下臂、延長下臂、可調(diào)節(jié)固定器、滑槽、克氏針孔組成，各組件材質(zhì)主要為金屬合金（設(shè)計圖見圖1，實物圖見圖2）。

圖1 新型外固定支架設(shè)計圖

圖2 新型外固定支架實物圖

1.3 研究對象

選取正常成年男性志愿者，年齡30歲，身高175 cm，體重75 kg，該志愿者無足踝部外傷史。行跟骨、足、踝關(guān)節(jié)正、側(cè)位X線攝片及踝關(guān)節(jié)CT掃描排除足踝部病變，簽署知情同意書并保存其影像學(xué)資料，倫理審查已通過（SQ044）。

對該志愿者進行CT掃描，掃描條件為：掃描厚度0.625 mm，矩陣大小為 512×512，掃描范圍包括雙側(cè)足底至踝關(guān)節(jié)上15 cm，共獲得掃描圖像數(shù)據(jù)65層，掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式保存，掃描結(jié)果顯示：掃描范圍內(nèi)的各骨骼、肌肉等結(jié)構(gòu)正常、完整。

1.4 Sanders ⅢAB型骨折固定模型建立

在Mimics 15.0軟件中輸入已保存的掃描數(shù)據(jù)圖像，灰度閾值進行劃分后，獲得完整的踝關(guān)節(jié)及足部骨形態(tài)，調(diào)整參數(shù)得到完整的跟骨三維模型。在Geomagic Studio 2012軟件中導(dǎo)入已獲取的三維模型，完成曲率、刪除格點、孔填塞后處理，然后通過網(wǎng)格劃分、曲面擬合等操作，得到NURBS曲面。按照Sanders ⅢAB型骨折分型，經(jīng)分割、截骨，構(gòu)建得到Sanders ⅢAB型骨折模型。采用Solidworks 2021繪制固定器模型，忽略克氏針形態(tài)，固定針設(shè)定為直徑3.5 mm的圓柱體。裝配后，得到跟骨外固定支架及鋼板治療Sanders ⅢAB型骨折的固定模型（見圖3）。

圖3 Sanders ⅢAB型骨折固定模型：A. 外固定模型圖；B. 鋼板模型圖

1.5 加載與設(shè)定

在分析軟件Ansys 6.10中導(dǎo)入已構(gòu)建的兩種固定方式的跟骨骨折模型，通過設(shè)定并劃定單元網(wǎng)格，對材料設(shè)定參數(shù)屬性，在模型中，將涉及的組織材料簡化為均質(zhì)彈性材料，并設(shè)置泊松比和彈性模量。結(jié)合參考文獻，模型建立了重要的關(guān)節(jié)韌帶，來模擬韌帶連接情況，并根據(jù)文獻設(shè)定骨折線、外固定架、皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的材料參數(shù)（見表1）[7-9]。

表1 材料參數(shù)

在Abaqus 6.10軟件中導(dǎo)入模型，依據(jù)Surendran、Cheung等[10-11]設(shè)定并進行力學(xué)加載，研究中筆者設(shè)定跟骨與地面接觸的最低點為約束點，在骰跟骨結(jié)節(jié)處自下向上加載300 N，在跟骨中距關(guān)節(jié)面處自上向下加載200 N，在后關(guān)節(jié)面處自上向下加載420 N（見圖4）。

圖4 力學(xué)加載模型：A. 外固定模型圖；B. 鋼板模型圖

2 結(jié)果

2.1 模型驗證

應(yīng)力分布圖（見圖5）提示應(yīng)力集中區(qū)范圍在距下關(guān)節(jié)和跟骨內(nèi)側(cè)，應(yīng)力分布特點符合跟骨的機械應(yīng)力機制，認為該模型力學(xué)加載方法符合人體跟骨的實際應(yīng)力特性。

圖5 模型應(yīng)力驗證：A. 單一跟骨力學(xué)加載后應(yīng)力圖（側(cè)面觀）；B. 單一跟骨力學(xué)加載后應(yīng)力圖（底面觀）

2.2 位移分析

模型載荷加載后，得到了兩種固定模型的位移分布（見圖6）。

圖6 跟骨骨折模型位移分布：A. 外固定模型跟骨總體位移分布圖；B. 外固定位移分布圖；C. 鋼板模型跟骨總體位移分布圖；D. 鋼板位移分布圖

外固定模型中的總體位移峰值為0.27 mm，外支架位移峰值為0.17 mm；跟骨骨塊位移峰值為0.27 mm。外側(cè)骨折位移峰值為0.17mm；中間骨折位移峰值為0.18 mm；內(nèi)側(cè)骨折位移峰值為0.27 mm，相對位移峰值為0.10 mm，均小于1 mm。

鋼板模型中的總體位移峰值為0.26 mm，鋼板及螺釘位移峰值為0.13 mm；跟骨骨塊位移峰值為0.26 mm。外側(cè)骨折位移峰值為0.15 mm；中間骨折位移峰值為0.15 mm；內(nèi)側(cè)骨折位移峰值為0.26 mm，相對位移為0.11 mm，均小于1 mm。

兩組模型的骨折位移在內(nèi)側(cè)載距突位置較為明顯，自內(nèi)向外、自上向下遞減，位移低值出現(xiàn)在跟骨前部。

2.3 Von Mises應(yīng)力測量

模型載荷加載后，得到了兩種固定模型的應(yīng)力分布（見圖7）。

圖7 跟骨骨折模型應(yīng)力分布：A. 外固定模型外側(cè)骨塊應(yīng)力分布圖；B. 外固定應(yīng)力分布圖；C. 鋼板模型外側(cè)骨塊應(yīng)力分布圖；D. 鋼板應(yīng)力分布圖

外固定模型中的總體應(yīng)力峰值為125.40 MPa，外固定及固定針應(yīng)力峰值為125.40 MPa，跟骨骨塊應(yīng)力峰值為38.13 MPa。外側(cè)骨折應(yīng)力峰值為29.94 MPa，中間骨折應(yīng)力峰值為38.13 MPa，內(nèi)側(cè)骨折應(yīng)力峰值為25.50 MPa。

鋼板模型中的總體應(yīng)力峰值為297.40 MPa，鋼板及螺釘應(yīng)力峰值為281.10 MPa，跟骨骨塊應(yīng)力峰值為297.40 MPa。外側(cè)骨折應(yīng)力峰值為297.40 MPa，中間骨折應(yīng)力峰值為38.25 MPa，內(nèi)側(cè)骨折應(yīng)力峰值為14.10 MPa。

有所不同的是，鋼板模型的應(yīng)力分布自外側(cè)骨塊向內(nèi)側(cè)骨塊遞減，應(yīng)力峰值集中在螺釘置入的骨塊上。外固定模型中，距下關(guān)節(jié)面應(yīng)力達到峰值，而固定在跟骨前部的克氏針應(yīng)力較為集中，均小于器械屈服強度。

3 討論

跟骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個關(guān)節(jié)面和韌帶共同維持。跟骨骨折多由于高處墜落及直接暴力等高能量損傷造成，其骨折線多不規(guī)則，粉碎骨塊較多，且常常涉及相對應(yīng)關(guān)節(jié)面[12]。

目前，跟骨骨折的治療目的得到一致認同：盡可能地恢復(fù)跟骨的高度及寬度；糾正跟骨內(nèi)外翻，恢復(fù)足部及踝關(guān)節(jié)的力線和解剖關(guān)系；固定牢靠，避免復(fù)位丟失[13]。沈超等[14]報道了采用跟骨髓內(nèi)微創(chuàng)穩(wěn)定系統(tǒng)治療跟骨骨折，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能避免軟組織廣泛剝離，采用微創(chuàng)的操作方式，安全性高，減少了軟組織皮膚并發(fā)癥的發(fā)生，內(nèi)固定框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效防止跟骨復(fù)位的丟失。而外固定支架對皮膚損傷小，不受手術(shù)時機的限制，無需二次切開取出，是目前在跟骨骨折微創(chuàng)治療上的一種新的嘗試。文獻報道了應(yīng)用外固定架聯(lián)合有限內(nèi)固定治療多名跟骨骨折患者，結(jié)果顯示，該方法可以有效恢復(fù)跟骨B?hler角、Gissane角，在隨訪過程中，骨折復(fù)位無丟失[15-17]。對比傳統(tǒng)的切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)，在手術(shù)時間、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率方面均有優(yōu)勢[5]。

本研究中，運用一種新型外固定支架治療Sanders ⅢAB型跟骨骨折，該支架設(shè)計固定在跟骨外側(cè)，通過多枚克氏針固定，固定位置在皮質(zhì)完整且堅固的跟骨結(jié)節(jié)、丘部、跟骨前部?？耸厢樧愿峭鈧?cè)丘部下方進針，固定在對側(cè)載距突位置，對易塌陷的關(guān)節(jié)面進行有效支撐。而高能量往往導(dǎo)致跟骨骨折塊移位明顯，且不同個體存在差異，該支架設(shè)計可調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？烧{(diào)節(jié)固定器可以調(diào)節(jié)克氏針的進針位置及角度，以準(zhǔn)確固定在對側(cè)載距突上，獲得充足的把持力。下臂設(shè)計可橫向伸縮，當(dāng)跟骨前部骨折粉碎，無法有效把持時，可伸展下臂將克氏針固定在足舟骨；當(dāng)跟骨體部出現(xiàn)分離，該支架可收縮，以加壓固定，使骨折斷端更加穩(wěn)定。

應(yīng)用軟件建立Sanders ⅢAB型跟骨骨折固定模型，力學(xué)加載后，結(jié)果顯示：應(yīng)力分布特點符合跟骨的機械應(yīng)力機制，認為該模型符合人體跟骨的實際應(yīng)力特性，與郭宗慧[18]團隊的結(jié)果相近。位移結(jié)果對比顯示：兩組模型的骨折位移在內(nèi)側(cè)載距突位置較為明顯，自內(nèi)向外、自上向下遞減，位移低值出現(xiàn)在跟骨前部。兩種固定方式在治療Sanders ⅢAB型跟骨骨折時，外固定模型中的骨塊位移峰值（0.27 mm）稍稍大于鋼板模型中的骨塊位移峰值（0.26 mm），分析認為外固定支架僅在骨密集處對骨折斷端進行了固定，在穩(wěn)定性上有所欠缺，但兩種模型中的骨塊位移峰值均小于1 mm，不影響愈后應(yīng)力分布[19]。應(yīng)力測試結(jié)果顯示：鋼板模型應(yīng)力峰值為297.40 MPa，集中在螺釘置入的骨塊上，應(yīng)力分布自外側(cè)骨塊向內(nèi)側(cè)骨塊遞減，結(jié)果與何凱等[20]的研究結(jié)果相一致。鋼板模型中骨折塊及固定物存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種應(yīng)力集中可能與鎖定鋼板與骨面緊密貼合、局部固定強度較大有關(guān)，繼而出現(xiàn)固定失效，骨形變的情況。值得注意的是，在實際骨折愈合過程中，患肢處于制動非負重狀態(tài)，并非模型中的負重極限值，因此，模型中的應(yīng)力值可能遠遠大于實際應(yīng)力值。外固定模型中的總體應(yīng)力峰值為125.40 MPa，跟骨骨塊應(yīng)力峰值為38.13 MPa，應(yīng)力集中在距下關(guān)節(jié)面處，而固定器械的應(yīng)力集中在跟骨前部處置入的固定針上，應(yīng)力值均小于其屈服強度。外固定模型中部分克氏針處存在應(yīng)力集中，在理想范圍之內(nèi)，提示外固定支架可為Sanders ⅢAB型骨折提供足夠的生物力學(xué)穩(wěn)定性。在本研究中，模型中的各骨塊應(yīng)力分布合理，跟骨相鄰關(guān)節(jié)面處的應(yīng)力較其他處稍高，可能對關(guān)節(jié)面軟骨產(chǎn)生壓應(yīng)力，存在關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險。若出現(xiàn)骨塊數(shù)量較多、涉及關(guān)節(jié)面，單純閉合外固定可能無法有效復(fù)位及固定，此時可以有限切開，輔助骨折復(fù)位及固定[21]。

總體來說，本研究中外固定支架在治療跟骨Sanders ⅢAB型骨折時，應(yīng)力分布合理，生物力學(xué)穩(wěn)定，不存在復(fù)位丟失的風(fēng)險。在治療過程中，相比切開復(fù)位鋼板內(nèi)固定術(shù)，無需廣泛剝離，不受手術(shù)時機限制，避免了皮膚感染等并發(fā)癥的發(fā)生。同時外固定支架體積小，無跨關(guān)節(jié)固定，利于患肢早期功能鍛煉，為跟骨骨折的治療提供了新思路。