骨密度对距下关节融合初稳性影响的三维有限元分析

　　众所周知，年龄和疾病会影响患者的骨质量，而骨质量会影响距下关节融合后的稳定。同时距下关节融合被广泛应用于因患有风湿性关节炎和骨质疏松症等而引起的骨质疏松患者，因此非常有必要通过有限元分析的方法证实骨密度对距下关节融合后的初稳性产生怎样的影响，以及哪一种固定融合方式是最优的配置。　　融合部位关节面间的稳定性被认为融合后的效果起关键作用，文献}3-5」普遍接受更牢固的固定可以达到更好的关节面问稳定性，进而达到更好的融合率)在踩关节融合方面，已有学者}fi-7{应用有限元分析的方法来计算分析躁关节融合后关节面间的相对位移来反映躁关节融合后的初稳性，并以此来确定躁关节融合的最优方式。但在距下关节融合方面，目前尚无学者做此方面的研究。本研究通过有限元分析的方法来计算分析不同的融合方式融合后距下关节关节面应力后的相对位移，并以此来比较各种融合方式的初稳性，确定最佳的融合方式;同时依照Alonso-Vazquez等提出的方法通过改变骨的弹性模量来降低骨密度，并分析骨密度对距下关节融合初稳性的影响，为临床术前方案的制定提供科学的理论依据。　　材料与方法　　一、研究对象　　选取健康志愿者1名(该自愿者已签署知情同意书并符合相关医学伦理学的要求)，男，25岁，身高176cm，体质量70kg。先行足部X线检查排除足部肿瘤、畸形等其他病变，右足躁部做16排螺旋CT(GE公司，美国)平扫，球管电压120kV，电流150mA,暴露时间is，选择骨组织窗扫描，扫描层厚0.45mm,扫描长度9〔二，所得数据以.dicom格式保存，共200张图片。　　二、模型建立　　在前期研究中，已经通过志愿者右足CT扫描数据导人Mimics13.0(Materialise公司，比利时)、Geomagic10.0(Geomagic公司，美国)、Hyperwork10.0(Altair公司，美国)等软件成功建立足踩部三维有限元模型。在前期的研究0{基础上，将模型导人Abaqus6.9软件中，利用Abaqus6.9软件的实体建模功能，模拟建立4种距下关节融合的模型，即:距骨颈联合距骨前外侧顶、距骨颈联合距骨后外侧顶、距骨颈联合距骨前内侧顶、距骨颈联合距骨后内侧顶4种双钉模型。模拟直径为5mm圆柱体代替螺钉，打人方向参照Chuckpaiwon:等『z〕提出的方法，一根螺钉从邻近负重区的跟骨结节后内侧打人，穿过距下关节止于距骨颈;另一根螺钉从跟骨结节后外侧打入，与第一根螺钉保持一定分散角，穿过距下关节止于距骨顶的4个区域:即前外、后外、前内和后内侧。同时参照Alonso-Vczzquez等fsl提供的方法，通过降低骨皮质弹性模量(分别降低10%,33%和50%)模拟建立不同骨密度的距下关节融合模型。　　三、材料参数　　骨性结构和螺钉均模拟为各向同性的线弹性材料，骨、螺钉的材料特性参照相关文献(表1).　　四、定义接触、边界条件及载荷　　螺钉与距骨接触部分定义为tie约束，螺钉与跟骨接触的摩擦因数取0.4，距跟融合面摩擦系数为0.7在距骨顶完全夹持约束的情况下，所有模型参照文献川加载41'·m的内旋、外旋作用力二结果一、距下关节融合三维有限元模型的建立成功建立距下关节融合的三维有限元模型，即距骨颈联合前外侧顶、距骨颈联合后外侧顶、距骨颈联合前内侧顶以及距骨颈联合后内侧顶4种距下关节双钉融合模型，模型形态仿真度高，可以进行任意方向的旋转和平移操作，且可以获得完整的三维空间信息(图1)0二、距下关节融合部位关节面间的相对位移从表2和图3,4可以看出，随着骨密度降低，4种融合模型应力后关节面间的相对位移峰值增大，表明J骨密度对距下关节融合后的初稳性产生影响:骨密度越低，相对位移峰值越大，融合后初稳性越差，越需要更牢固的融合配置。距骨颈联合距骨前外侧顶的双钉模型在正常骨密度和骨质疏松存在的情况下，其应力后关节面间相对位移峰值均较其他模型低，表明融合后初稳性越好，是距下关节融合最优的选择;而距骨颈联合距骨后内侧顶的双钉模型，应力后关节面间相对位置峰值最大，表明融合后初稳性最差，距下关节融合时应予以避免使用此种配置。　　讨论　　坚强的固定和融合面紧密的骨性接触是距下关节融合的两大关键因素，同时也是融合过程中人为可控的因素。距下关节融合被广泛应用于患有风湿性关节炎和创伤性关节炎等引起距下关节处疼痛、活动受限而影响日常生活的患者，而此类患者通常伴有不同程度的骨质疏松，为实现坚强的固定和提高融合的成功率带来了挑战。因此非常有必要通过有限元分析的方法来研究骨密度对于距下关节融合会产生怎样的影响，以及哪一种固定配置对于距下关节融合是最优的选择。而三维有限元分析的方法一直被认为是比较不同治疗配置疗效的最好方法，因为只有在相同的模型和边界条件下进行比较，才能减少误差。此外，有限元分析的方法可以比较某一种因素对模型的影响，而约束其他的影响因素，使研究结果更可靠。　　根据日前文献，距下关节融合螺钉插人的方式大致分为3种:跟骨结节插人止于距骨114-151、跟骨拓面插人止于跟骨1161，以及距骨插人止于跟骨。在这几种方式中，跟骨插人方式作为主要的距下关节融合螺钉插人方式被广泛采用。因为距骨插人可能会导致前躁撞击或引起距骨颈的应力增加，而跟骨拓面插人一般仅作为距下关节融合的返修方式以避免与原融合钉道重合}161跟骨结节插人方式可以保证足够的骨量与插人的螺钉紧密接触，以提供最优的稳定性’201。本文模拟从跟骨结节插人螺钉止于距骨颈、体的方式来建立距下关节融合模型。　　根据Alonso-V&zquez等}5}提供的方法，通过逐渐降低正常骨的弹性模量来实现骨质疏松模型的建立，而不是从因年龄或疾病而引起骨质疏松的患者足踩部的CT扫描来重建骨质疏松的足躁部模型正如Alonso-Vazquez等c5〕所描述，直接从有足跺损伤伴有骨质疏松的患者足躁部扫描CT重建足踩部的三维有限元模型非常困难，因为目前文献上缺乏针对病足骨质弹性模量变化的数据，所以他们采用文献中提到的其他解剖位置的疏松骨质弹性模量的降低值来模拟足躁部的骨质变化，以骨密度降低70%,30%和50%反映骨质逐渐疏松的3个等级来计算分析不同骨密度对于关节融合初稳性的影响。　　本研究是通过计算分析距下关节融合部位关节面间的相对位移反映融合的初稳性，研究发现:骨密度对于距下关节融合初稳性产生明显影响，骨密度越低融合后稳定性越差，越需要更牢固的融合配置;距骨颈联合距骨前外侧顶双钉模型对于正常或疏松骨质的距下关节融合都具有最好的稳定性，是距下关节融合最优的选择;距骨颈联合距骨后内侧顶双钉模型融合后初稳性最差，距下关节融合时应避免此种配置;三维有限元模型的方法可以作为有效的术前分析工具，为术前手术方案的制定如螺钉数目和位置的确定提供科学的理论依据。　　本研究存在以下不足:以其他解剖位置的疏松骨质弹性模量降低值来模拟躁部的骨质情况可能给结果带来一定的偏差;研究成果在实际应用中不一定总是获得期望的临床效果，因为距下关节融合的成功与否还受医生临床技能、患者解剖差异、康复过程的生活习惯，以及患者的身体状况等多种因素影响;同时螺钉能否准确插人目标位置也对融合后效果产生重要影响随着导航辅助手术系统的发展和应用，研究成果在实际手术中的准确操作能够得以实现，将会达到更好的稳定性和融合愈合率，以获得期望的临床效果.　　参考文献　　Lee JY,Lee YS. Optimal double screw configuration for subtalar arthrodesis:a finite element analysis[J].Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy,2011.842-849.　　Chuckpaiwong B,Easley ME,Glisson RR. Screw placement in subtalar arthrodesis:a biomechanical study[J].Foot and Ankle International,2009.133-141.　　Feighan JE,Stevenson S,Emery SE. Biologic and biomechanical evaluation of posterior lumbar fusion in the rabbit The effect of fixation rigidity[J].Spine,1995.1561-1567.　　Huiskes R,Chao EY. A survey of finite element analysis in orthopedi cbiomechanics:the first decade[J].Journal of Biomechanics,1983.385-409.　　Alonso-Vázquez A,Lauge-Pedersen H,Lidgren L. The effect of bone quality on the stability of ankle arthrodesis A finite element study[J].Foot & Ankle International,2004.840-850.　　Vázquez AA,Lauge-Pedersen H,Lidgren L. Finite element analysis of the initial stability of ankle arthrodesis with internal fixation:flat cut versus intact joint contours[J].Clinical Biomechanics(Bristol,Avon),2003.244-253.　　Alonso-Vázquez A,Lauge-Pedersen H,Lidgren L. Initial stability of ankle arthrodesis with three-screw fixation.A finite element analysis[J].Clinical Biomechanics(Bristol,Avon),2004.751-759.　　卢昌怀,余斌,陈辉强. 正常步态下距骨三维有限元模型的建立及应力分析[J].南方医科大学学报,2010,(10):2273-2276.　　Gefen A,Megido-RavidM,Itzchak Y. Biomechanical analysis of the three-dimensional foot structure during gait:a basic tool for clinical applications[J].Journal of Biomechanical Engineering,2000.630-639.　　Frey C,Halikus NM,Vu-Rose T. A review of ankle arthrodesis:predisposing factors for nonunion[J].Foot and Ankle International,1994.581-584.