锁定钢板固定SandersⅣ型跟骨骨折的有限元分析

　　粉碎性跟骨骨折，尤其是SandersIV型跟骨骨折多为高空坠落等高能量损伤所致，一般伤后局部软组织肿胀较严重，加之跟骨和周围解剖结构复杂，局部软组织覆盖质量差，故治疗困难，且并发症多，预后较差。目前针对此类骨折的治疗仍存有争议，部分学者!}-z}主张早期以外固定支架固定2一3周，待肿胀消退后行切开复位钢板内固定治疗。另一部分学者}3-1{认为SandersW型跟骨骨折关节面碎裂严重，术中很难将关节面对齐，并恢复跟骨正常的长度、宽度、高度、Bohle:角等，术后远期创伤性关节炎发生率较高，且骨块压缩较多，术中植骨后伤口长期不愈，为了避免此类并发症，可采用一期外固定支架后固定二期行距下关节融合术治疗。本研究拟通过建立锁定钢板内固定治疗SandersW型跟骨骨折的有限元模型，旨在探讨此类骨折的最佳治疗方案，同时为现有的锁定钢板治疗理念和技术提供理论依据。　　材料与方法　　一、有限元模型的建立　　选取健康志愿者I名(该志愿者已签署知情同意书并符合相关医学伦理学的要求)，男，26岁，体质量70kg，经过X线检查排除足躁部损伤或疾病双足行螺旋CT平扫(16排螺旋CT,GE公司，美国).球管电压120kV，电流65一150mA,暴露时间0.5一1.0、，选择骨组织窗扫描，扫描层厚0.625mm，扫描长度为躁关节上方10cm至足底，所得数据以.dicom格式保存，共289张图片。采用右侧足踩数据为样本，将二维.dicom格式保存的数据导人Mimics13.0软件(Materialise公司，比利时)，设定适当的灰度I值，对图像进行分割，输出.stl格式文件，导人Ceomagic10.0软件(Geomagic公司，美国)进行光滑处理，并模拟Sanders型跟骨骨折进行截骨，根据骨折模型将骨折块分成8块(图l}，拟合曲面，以.iges文件输出。　　结合跟骨的三维测量数据，根据Synthes公司提供的数据，应用proE4.。三维绘图软件(PTC公司，美国)对跟骨锁定钢板进行三维虚拟重建，螺钉以直径为3.5mm圆柱体进行简化处理，所得结果以.iges输出。再将跟黔和内固定的几何模型导人有限元分析前处理软件Hypermesh10.O}Altair，美国)中进行装配，生成钢板内固定的有限元模型(图2)。所有模型均采用solid185单元，所得共划分36131个单元和69590个节点，然后导人有限元分析软件Ansys13.0(ANSYS公司，美国)后进行处理分析。　　二、材料属性　　本研究中内固定和骨的相关材料为均质、各向同性的fsl，材料属性参考相关文献{6一7」(表1).　　三、边界条件和加载　　假设为骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为0.2}8}。将跟骨、足部负重区三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件，即远端各节点在、、y、z轴上的位移为o}普通加压钢板设定与跟骨接触为加压摩擦接触，锁定钢板与跟骨间不考虑加压摩擦接触。采用目前常用的简化模型，不考虑韧,!fi:影响。计算该状态下跟骨与钢板的应力分布、位移。假定人体质量为70k};此状态下轴向应力。　　四、评价指标　　通过以下指标评定:①跟骨骨折块和内固定的应力分布、应力峰值;②跟骨和内固定的最大应力点、最大位移区域。　　结果　　一、骨折块与钢板的应力分布　　锁定钢板固定后，轴向700N应力时各骨折块的应力分布(图3)提示，跟骨侧应力集中于距下关节内侧面、近跟下关节处骨块一螺钉界面、近足跟处骨块-螺钉界而、近跟般关节一面骨块一螺钉界面，应力大小分别为15.224,13.083,9.786,7.632MPa;钢板螺钉最大应力为260.1MPa，主要集中于钢板中后段，即后侧骨块与中前侧骨块的骨折线处二、骨折块与钢板的位移分布(图4)骨折块中发生位移较大的部位为载距突、后侧骨块与中间骨块接触部、中间骨块与前侧骨块接触部，分别为0.403,0.320,0.319mmo钢板螺钉最大位移位于上排螺钉远端，其中最大位移为固定载距突的螺钉远端，大小为0.390mm.　　讨论　　切开复位内固定治疗跟骨关节内骨折，恢复关节面的平整非常关键。但是跟骨为松质骨，即使术中对-关节面进行很好地复位，术后依然会存在不同程度的塌陷，尤其是加压钢板固定时，初始的关节面塌陷不可避免。骨科内固定器械的改良和发展已经改变了以往“跟骨骨折切开复位内固定是行不通”的观点，目前大部分学者都认同切开复位内固定技术可以用于大部分跟骨骨折的治疗，且疗效优于保守治疗。对于关节面碎裂较为严重的SandersW型骨折，内固定的固定效果直接决定了预后。术后长期的疼痛、高发的创伤性关节炎均使部分学者选择距下关节融合术来治疗此类患者。从本研究结果来看，当跟骨受到轴向压力时，各骨折块之间位移不同，最大位移部位位于载距突，其发生的位移可为中部及外侧骨折块的2倍，术后关节面的台阶将不可避免。因此，目前的锁定钢板内固定技术治疗SandersW型跟骨骨折并不能较好地维持关节面的平整，早期下地负重可能会加重关节面的不平整，从而导致远期创伤性关节炎的高发。　　新的锁定螺钉不断改进，提高了患者的预后，但仍有待于进一步验证。本研究结果提供了几个重要信息，即Sanders型跟骨骨折锁定钢板内固定后的应力分布特点、钢板应力分布特点、骨折块的位移分布特点及螺钉位移分布特点。接下来将根据实验结果对以上几个方面进行综合分析，提出针对SandersW型跟骨骨折的新治疗理念和钢板螺钉的改进方向。　　本研究结果显示，轴向700N应力时跟骨应力集中于距下关节内侧面、近距下关节处骨块一螺钉界面、近足跟处骨块一螺钉界面、近跟骸关节面骨块一螺钉界面。这4个区域刚好组成一个三角形，所受应力最大的部位为三角形的顶端，其次为近足跟处，最后为近跟骸关节处，此处的螺钉所受应力最大。因此，跟骨的力学特性符合三角稳定理论，使用钢板螺钉固定时，以上3个区域需要达到绝对稳定，最好使用较粗的锁定螺钉加以固定，一方面能够对跟骨体的基本形态维持较好的支撑作用;另一方面，术中置人螺钉时也可以首先通过固定这3枚螺钉来确定解剖标定点，再依次加以固定。其中最顶端的螺钉相当于从跟骨外侧面置人载距突的螺钉，锁定螺钉置人方向不易控制，往往很难将螺钉较好地固定在载距突上，普通钢板螺钉虽能实现，然而目前的生物力学研究表明普通钢板螺钉的初步固定稳定性较锁定钢板差，并不能较好地维持载距突的稳定性，因此，新型的跟骨锁定钢板尚有待开发。　　钢板的应力分析结果显示，跟骨体中部与足跟骨折线处为钢板应力最集中部位，其应力峰值达260.1MPa，由于跟骨钢板较薄，任何一种钢板都难以接受此应力强度下的疲劳。其他学者}13}的研究中也提及，如跟骨中后段存在骨折或骨缺损，钢板中后段较易发生屈曲变形，此结果与本实验结果相似。此并发症可通过以下2种方法降低:第一，骨折线周围置人普通加压螺钉，通过钢板与骨面的加压作用增加钢板与骨面的摩擦力，从而代偿钢板承受太多的应力;第二，通过改变钢板形态，将横跨骨折线的钢板设计为三角形稳定结构，即在原钢板基础上加一条横跨对角线的钢板，从而增加钢板固定的稳定性。然而这一切尚停留在理论阶段，有待于通过实验进一步验证。　　从位移结果看，骨折块中发生位移较大的部位为载距突、后侧骨块与中间骨块接触部、中间骨块与前侧骨块接触部，钢板螺钉最大位移部位于上排螺钉远端。跟骨的最大应力部位位于跟骨内侧距下关节面，位移最大部位位于载距突，因此我们有理由认为，跟骨骨折时，当受到轴向应力的作用时，内侧骨块需要承受更大的应力，理想的钢板应该为固定在跟骨内侧的支撑钢板，然而由于跟骨内侧软组织结构的复杂性，临床中几乎没有学者采用内侧切日置人钢板。如需从外侧置人钢板，则需要使用锁定钢板螺钉固定关节面的骨块，在此我们参考挠骨远端骨折使用的“平行竹排”理论，使用多枚相互平行的锁定螺钉紧贴距下关节面置人，以对其起到较好的支撑作用〕然而这也需要通过生物力学试验进一步证实。　　有限元分析法为近年来分析骨折内固定疗效的常用方法，具有低成本、可重复的优势，其通过静态下的应力分布来推断骨折、内固定的疲劳部位，进而对术式和内固定进行改良。本研究采用不锈钢材质的钢板，与传统的钦合金不同，主要原因在于不锈钢刚度较高，用于锁定钢板对于维持距下关节的稳定性效果更佳。手术操作是一个非常复杂的过程，术中往往不能置满螺钉，而本研究中所涉及的情况均为理想状态下的实验条件，即探讨在充分复位时螺订置满情况下的关节面的稳定情况;而且通过本研究所得的结论来看，承受应力较大的螺钉主要位于载距突、近距卜关节面、足跟处，其他部位承受应力较小，因此，在此不考虑螺钉排列对应力的影响。临床中SandersW型跟J哥骨折完成关节面复位后常存在骨缺损，需要植骨来维持关节面的稳定性，此点在本实验中未涉及，将在今后的研究中加以补充二综上所述，通过本研究结果，我们认为对于Sanders型跟骨骨折目前首选治疗方式为距下关节融合术，如需要切开复位钢板内固定术治疗则需要对目前的钢板进行改进。理想的跟骨外侧钢板为锁定钢板，呈M型，顶端、近距下关节面处、足跟处、近跟殷关节处可选用锁定螺钉固定，钢板中后部选用加压松质骨螺钉固定可能能够达到更好的固定效果。　　参考文献　　Howard JL,Buckley R,McCormack R. 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