正常与畸形愈合跟骨应力分布的比较研究

　　跟骨骨折多发生于高处坠落伤，由纵向垂直暴力所致，占所有删骨骨折的60%，并且累及人群多为处于人生鼎盛时期的中青年人(20-40岁)75%的跟骨骨折可累及距下关节面，造成严重的塌陷畸形，导致关节承受异常的应力变化，无论是采用手术还是非手术治疗，最终大多数患者会后遗跟骨距下关节、跟骸关节、跟骨底部或外侧的疼痛2。　　畸形愈合导致怎样的应力变化而造成跟骨相关部位的疼痛，这一直是临床中争论的焦点。因此，在跟骨骨折治疗方法上也存在差异，包括保守治疗、跟骨撬拨、钢板固定等多种手段。　　针对上述问题，基于跟骨骨折的受伤机制为暴力由距骨作用在跟骨上，造成距下关节面被压人跟骨松质骨中，导致Bohler角减小甚至低于00这一病理变化[[4]，本研究采用回顾性研究，对CT图像进行处理分析，建立正常与Bohler角为00的跟骨畸形愈合有限元模型，比较跟骨内部应力分布的改变。目的是:(1)在跟骨大体应力分布中，明确跟骨Bohler角为00时，在不同区域所产生的应力改变，分析造成疼痛的部位及原因;(2)细化研究跟骨外1/3结构、载距突以及跟般关节处的应力分布变化，更直观地分析解释临床中所遇到的问题。　　资料与方法　　一、研究对象　　男性志愿者一名，26岁，体重64 kg;摄X线片排除病变、损伤等情况，受试者对试验知情同意且试验方案得到批准。　　二、研究方法　　(一)研究设备及设计原理:采用CT对足部沿横断面连续扫描(16排螺旋CT，层厚0.625 mm ,螺距1.375 mm，电压120 kV , GE公司，美国)共得到151层图像。将以Dicom 3.0标准的图像导人Mim-ics 10.01( Materialise公司，比利时)中，生成足部的三维模型，而后将跟骨从整个足部模型中提取出来。　　根据CT断层图像的灰度值完成模型材质的添加。本研究假定模型的材料为各向同性，由CT的Houfield unit到表观密度P的应用公式(1)为:pa=1.9x10-3Hu+0.105 (Hu}816)pa=17.69x10}Hu+1.028 (Hu>816)根据骨密度计算骨弹性模量E的公式与应变速率相关，取应变速率为二=0.01/s，公式E=2875p}}基于以上公式一“1，得到跟骨正常的面网格模型。将有限元模型的跟骨距下关节面处从内向外、从前向后楔形切除一块，模拟骨折后距下关节面塌陷，切除前Bohler角为350，切除后为00。然后对跟骨进行面网格的优化处理，将优化后的跟骨面网格模型导人Ansys 10.0软件(ANSYS公司，美国)，得到正常及跟骨骨折畸形愈合体网格模型。其中正常跟骨模型共含有77 890个节点和53 827个四面体单元，而跟骨骨折畸形愈合模型则含有35 254个节点和24巧1个四面体单元。　　(二)应力加载的方法:由于相关的力学试验和基础研究尚不能准确提供足部各种组织的本构方程，所以本研究仅对后足进行建模，同时仅讨论静态载荷下跟骨内部的应力变化，不计关节之间的摩擦，忽略软骨、肌肉、肌腿和韧带。模拟研究对象双足站立的状态，足部本身的自重在此静态分析下忽略不计，软组织、胫骨和排骨的远端被完全固定，踩关节认为处在平衡站立时的正中位，施加载荷时只允许压力中心垂直方向运动旧。距下关节面在整个分析过程中被完全约束，自足跟向上垂直对模型施加320 N载荷，160 N向上的跟键力加载在跟骨后面上1/3跟腿附着点处，忽略其他内外在的肌肉力，进行有限元分析7，获得跟骨在站立位的应力分布，查看跟骨的Vonmises stress(基于剪切应变能的一种等效应力)指标(图1)。正常与畸形愈合跟骨有限元模型的应力加载方式相同。　　通过应力加载，首先获得正常跟骨及Bohle:角为00的畸形愈合跟骨有限元模型的应力分布，进行内狈l面、外侧面、冠状面及底面的大体应力比较。然后，取跟骨外1/3截面，分别选取距下关节上、中、下区域，跟键附着处，跟骨结节处，Gissane角处，跟骨前上、下近跟骸关节处，跟骨底部前、中、后部及载距突区域作细化比较。所选截面代表跟骨外侧壁的应力分布，不同区域分别代表了距下关节面、跟股关节面以及跟键与足底的应力分布。载距突在解剖学卜对跟骨的内侧结构支撑作用很大，该区域的应力变化代表了跟骨内侧结构的应力改变趋势。　　结果　　一、畸形愈合跟骨应力分布的大体观　　(一)内侧面观察(图2):山于Bohler角的消失，导致由距下关节一后侧至跟J肾结节前方以及经载距突下方向跟骨前侧形成的倒“Y.”形次级传导区，应力由4.77 NIPa减低至2.18 MPa，前内侧应力减低较为明显。　　(二)外侧IGl观察(图3):}:常结构距下关节面　　与跟骨底部中1/3形成了两个较高应力区，是外侧结构的主要负重部位。随着距下关节面的塌陷，}i }.下关节拱形应力支撑区消失，代之以跟骨底部外侧较高应力区域的扩大(一)冠状面观察(图4):应力由跟骨前侧至后侧跟骨结节呈广泛性无序分布。高应力区逐渐向跟骨外侧偏移，随着距下关节面主要承重区的消失，跟骨外侧紧靠跟J毅关节处成为了应力集中区，其他应力集中区在((}issane角处和残余的距下关节一顶部区域。应力分布从正常的跟骨前中关节向为主要应力区转为跟胃·外侧紧靠跟J股关节处，外侧主要应力区要高于内侧，是支撑载荷的主要部位(四)跟骨底部观察(图5):跟骨前1/2中部应力相对稍高，跟母底部前内侧应力集中区域也在向外侧偏移。　　二、跟骨结构的细化比较　　如图6所示，在跟骨冠状面标定载距突处应力分布区域，分别选取i1-.常与畸形愈合跟骨的应力分布均值进行比较，如表1、取在跟骨外1/3处做截面，如图6所示，沿矢状面标定6}8区为距下关节肉上、中、下部，3区为Gissane角处，4,5区为跟骨前上、下近跟骸关节处，1 ,2区分别为跟键附着及跟骨·结节处，骨密度值较高。9一11区为跟骨底部后、中、前部，代表足底应力区。正常与畸形愈合跟骨外1/3结构不同解剖部位的应力分布均值比较见表1,直观图比较见图7 .　　(一)正常跟骨外1/3结构应力分布:有限分析显小距下关竹面仍是主要应力集中区域仁(6.71士0.37) MPa]，相对应的是跟骨底面前中部[(1.17士0.16) MPaj形成的第二应力区，二者共同承担了正常跟骨在外1/3结构的主要载荷。其与偏于前内侧的载距突〔(5.1810.16) MPa」和跟骨的后侧部分[(1.5110.22) MPa〕共同形成了跟骨应力分布的平衡状态(图7) o Gissane角处[ (3.12士0.24 ) MPa〕作为应力载荷与传递部位，在跟骨外1/3结构中起到了枢纽作用，跟骨前端近跟骸关节处[(0.21 f0.09 )M Pa I属于后足与中足的交界，在解音」结构上井非承重关n，实验数据显示是应力较低的部位(二)畸形愈合跟骨外1/3应力分布:Bohle:角减小，距下关节面塌陷.造成跟胃整体受力分布发生改变_有限元分析显小距下关节面承载的应力下降[ ( 2.83士0.49 ) MPa，跟胃·的前中部〔(1.62士0.18)MPa〕与跟骨后部[ (1.03士0.15) MPa〕应力承载较正常_( 0.74士0.11 ) MPa〕明显增大。　　凶先.距下关节ICI顶部的塌陷造成跟骨主要应力L分后移，转至跟键附着点处由正常的(1.5110.22 ) MPa增至(3.1110.24) MPa，而距下关节面顶部的应力山正常的(6.71士0.37 ) Vl I'a减至(2.83士0.49) MPa、其次，跟骨前侧近跟骸关节处应力明显加大，由正常的(0.46士0.15) MPa增至(2.13士0.15)MPa ,与载距突应力由(5.18士0.16) MPa减少至(4 .44士0.24 } MPa相比较，显示主要应力区域由跟骨前内侧转至跟骨前外侧近跟股关节处，进而使跟J股关节山连接性关节转为负重关节，承担r距下关节面高度丢失后的另一部分载荷。　　讨论　　一、跟骨应力分布研究的意义　　跟骨骨折，85%-90%以卜为关节内骨折，其治疗特点是骨折愈合率非常高，但是预后效果很差，而影响其疗效的主要因素是行走疼痛。许多学者分析了引起行走疼痛的各种因素，包括跟骨横径增宽、跟排间隙变窄、距下关节及跟骸关竹面不平整、距下关节一及跟股关节退行性改变和Bohler角变小等。其中跟骨横径增宽和跟胖间距变窄引起跟胖碰撞和排骨肌键嵌压为跟骨骨折后疼痛的最常见的两个原因;此外，距下关节面不平整引起的距下关节炎也是跟骨骨折疼痛的另一个原因。跟骨骨折后遗疼痛的最常见部位为足跟脂肪垫及跟骨外侧排骨肌腿走行部位，其次为距下关节。　　在临床中，根据跟骨畸形愈合产生的上述病理变化，如跟骨外侧壁增宽、距下关节不平整、排骨肌键嵌压等而采取不同的治疗措施，如跟骨骨栓内加压固定矫正外侧壁一9伙距下关节融合术及手术去除排骨肌腿骨性嵌压部分等。在这些病理变化中，哪一种是最主要问题，跟骨内部应力如何改变而导致了跟骨外侧壁增宽、足跟部疼痛、跟骸关节退行性改变值得深人研究。　　本课题通过有限元模型分析，证明跟骨骨折距下关节面塌陷是所有病理变化的主因，在临床治疗中应先解决距下关节面塌陷问题，恢复跟骨正常高度，再考虑关节面的平整度、外侧壁的膨隆及跟段关节退变等问题，这是治疗的关键。如果恢复跟骨的正常高度，恢复跟骨内部的大体应力分布，跟骨骨折畸形愈合是否必须行关节融合术仍有待商榷。　　二、正常与畸形愈合跟骨应力分布的差异　　通过正常有限元模型的建立及应力的加载，确定了距下关节面的上部是跟骨支撑载荷的主要部位，其与跟骨前中关节面及载距突共同构成了跟骨的三点支撑，此三点在跟骨前内侧构成了倒“Y”形支持带，是跟骨的主要应力集中区，换言之，正常跟骨主要应力载荷区位于前内侧。I级负重区为距下关节面，II级负重区为前中关节面，IQ级负重区是距下关节面后方处与前中关节面下方至跟骨内侧中部足底的倒“Y”形支持带(图2)，足跟、跟骸关节及跟骨外侧壁所受应力相对较低。　　通过畸形愈合跟骨有限元模型的建立及应力的加载，可以看出，当Bohler角减小至00时，距下关节面的塌陷导致了跟骨内部应力的改变。跟骨应力主轴向外侧偏移的同时跟骨负重区呈广泛性散在排列，距下关节面所承受的载荷约减小至正常的一半，载距突的应力值减小至正常的I/3水平，跟键处、跟骸关节及足跟底部应力则较正常明显增加(图7)0跟骨畸形愈合造成整体应力分布由原有的前内侧载距突、距下关节面与跟骨前中关节面所形成的三点支撑改变为跟骨后侧区、足跟部、前外侧跟骸关节及距下关节，由跟骨前内侧向前外侧跟I' }X关节转移，由距下关节面向后侧跟键抵止点区域转移。整体应力趋势表现为跟骨外侧壁应力增加，内侧壁应力减小，跟骨底部外侧壁的应力区域增加。　　三、对临床间题的分析　　借助畸形愈合有限元模型的建立，可以看出跟J散关节处应力明显加大，叮达正常的四倍，继而会导致跟J股关节处退行性改变，临床中有时会跨越跟股关节放置钢板，这大为增加了钢板断裂的可能。俞光荣等‘工在治疗跟骨骨折时有4例出现跟骸关节处的钢板断裂。Astion等“z一对尸体标本行跟般关节融合术，并用磁场轨迹系统检测其对后足其它主要关节功能的影响，发现跟骸关节的严重损伤或脱位未能得到很好的治疗将引起后足的功能障碍而本研究也说明恢复跟骨的高度，对减轻跟般关节处应力至关重要。单纯距下关节融合而不恢复距下关节面的高度，对跟J殷关节的退变无明显缓解作用。　　另一方面，跟骨畸形愈合导致的应力重新分布，足跟部、跟键处的应力加大而引起疼痛，跟骨外侧壁应力加大导致外侧壁膨隆，压迫排骨长短肌引起相应的症状。通过有限元模型，叮以明确单纯解除跟骨外侧壁的嵌压，及足跟垫来减轻足跟部及跟健处的疼痛，并不能起到根本效果，而在恢复距下关节面的高度同时来解决嵌压问题，可能效果更好。辛景义等通过循原骨折线重建距下关节面，恢复跟骨高度来矫正畸形愈合，优良率达84%，证明保留距下关节可以大大减小手术对足跺功能的影响，也为本研究提供了确切的临床证明四、本研究的局限性由于跟骨骨折畸形愈合的病理变化复杂多样，所以目前很难获得大样本的统计学分析结果。本研究仅根据Bohler角为00建立有限元模型，尚不能覆盖所有畸形愈合后跟骨的病理变化，这是本研究的局限性。疼痛的原因很多，包括软组织的改变，本研究仅基于跟骨内部生物力学的改变进行分析，难免存在偏倚。有限元模型研究需要与尸体标本研究结合进行验证分析，使数据更为可信。　　综上所述，本研究通过有限元模型，证明跟骨畸形愈合造成整体应力分布由前内侧载距突、距下关节面与跟骨前中关节面所形成的三点支撑改变为跟骨后侧区、足跟部、前外侧跟殷关节及距下关节，整体应力趋势表现为跟骨外侧壁应力增加，内侧壁应力减小，跟骨底部外侧壁的应力区域增加。这是造成患者后期临床症状的相关因素之一。在治疗中，应以矫正距下关节面塌陷，恢复跟骨正常高度为首要考虑因素，恢复跟骨内部常态的应力分布对解决跟骨骨折后期出现的相关部位疼痛问题至关重要。　　参势文献　　López-Oliva 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