载距突螺钉内固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折的生物力学研究
发表时间：2014-10-24 浏览次数：1022次
跟骨骨折占全身骨折2%,占整个附骨骨折的60%}65%。跟骨骨折处理不当常遗留足部疼痛和畸形，严重影响肢体功能由于跟骨的皮质骨较薄，而松质骨相对较多，所以发生骨折时一距骨的垂直压力常造成跟骨塌陷压缩，特别是后关节面常呈粉碎性骨折。而载距突在跟骨骨折时很少发生移位，这为治疗跟骨骨折时螺钉的固定提供了有力把持fT，可使固定达到最大的生物力学强度[}2}。目前，关于载距突解音」的研究很多rs但关于载跟突的生物力学分析鲜有报道鉴于此，本研究首先建立跟骨骨折三维有限元模型;而后模拟两种骨折固定方式，即内固定有载距突螺钉及无载距突螺钉，建立两种跟骨骨折内固定模型;最后，在同等加载条件下观察两种跟骨内固定模型的生物力学情况。因此，本研究的目的是:(1)观察载距突螺钉对跟骨骨折内固定模Tf}!1的生物力学影响，(2}探讨载距突螺钉在跟骨骨折治疗中的作用。 资料与方法 一、一般资料以一名30岁正常女性志愿者为实验对象，身高163cm，体重60kg;X线检查排除病变、畸形和损伤等异常情况。 德国西门子4D双源CT(SOMATOMDelini-tion;医学影像软件Mimics12.0(Materialise公司，比利时);三维优化软件GeomagicStudio(Rainrrop公司，美国);Solidworks2010软件(DassaultSvs-temesSA公司，美国);宁波大学生物医学实验室提供Ansys13.0有限元分析软件(AXSYS公司，美国)二、试验方法(一)数据采集对志愿者自胫骨中下段至全足行中立位4D双源CT扫描，扫描层厚为1mm，速度为0.4s/圈;扫描后获得572x512矩阵的CT图像数据(Dicom格式)「(二)三维模3;U建立将获得的Dicom格式文件输人Mimics12.0软件中，建立跟骨三维模型。将建立的模型导人Magic9.9软件中，在三维实体模型的基础上经表面光滑、减少三角形等运算得到经过面网格优化后的模型。 将优化后的跟骨模型导人Ansys13.0软件中，经过设定单位兀、材料赋值属性、划分单元网格得到1775784个节点及1088931个单元的跟骨丫维有限元数字模型。模型中涉及的各种组织材料均简化为各向同体的均质性弹性材料;设定跟骨皮质骨厚度为2mm，内为均质松质骨。 在Solidworks2010软件中打开跟骨模型，根据Sanders分型将跟骨切割，造成11型跟骨骨折。为了更能体现骨折线处两骨块的应力情况，在骨缝间用质软材料进行豁合。这种质软均质材料代替存在的骨折线，当对模型加载应力后，可根据骨折线的位移了解内固定情况。 将}10跟骨外侧解aJ钢板及螺钉的几何参数输人Solidivorks2010软件中，根据试验设想建立两种内固定模型。一种为将钢板置于跟骨外侧面,7枚松质骨螺钉分别自钢板后关节面下方2枚螺钉孔、钢板后方2枚螺钉孔、钢板下方1枚螺钉孔、钢板前方2枚螺钉孔分别垂直跟骨打人，以固定钢板;另一种是在前一种固定方式的基础上通过钢板后关节面最下方螺钉孔向载距突打人1枚皮质骨螺钉。此时获得两种内固定模型。有关材料的弹性性能常数及设定均参考文献[6-7]，具体见表1. (三)力加载方法 本试验设定跟r关节面和跟骨与地面接触的最低点为约束点。设定跟骨模型加载点为跟骨后距关节面、中}}'关节面自上向下加载，跟骨结节处自卜向卜加载;起自于跟骨的足内在肌对跟骨牵拉引起的拉力可以通过力的合成与分解原理给予抵消。在跟骨三维模型上模拟跟骨在中立位的受力情况，具体加载点载荷设定与节点情况参考人体标本实物模型a-}(表2). 结果 一、骨缝间的应力、应变情况 模型加载应力后，有载距突螺钉内固定模型骨缝间位移最小值为9.0946x10-'mm，最大值为0.23986mm;无载距突螺钉内固定模型骨缝间位移最小值为1.2241x10一mm,最大值为0.24938mm(图1)。 二、跟骨的应力、应变分布情况 模型加载应力后，有载距突螺钉内固定模型的跟骨最大主应力为78.582MPa，应力主要集中于载距突皮质骨周围;无载距突螺钉内固定模型的跟骨最大主应力为95.427MPa，应力主要集中于载距突皮质骨周围(图2)0三、钢板及螺钉应力分布情况模型加载应力后，有载距突螺钉内固定模型的钢板及螺钉系统最大主应力为284.64MPa，应力集中在钢板中间部;而无载距突螺钉内固定模型的钢板及螺钉系统最大主应力为186.95MPa，应力集中在后关节面松质骨螺钉尾部周围(图3)0单独载距突螺钉分析，加载后载距突螺钉最小位移值为0.040659mm，最大位移值为0.15642mm,最大主应力为142.92MPa，应力集中于螺钉中部(图4)0讨论一、跟骨骨折内固定系统的三维有限元模型建立方法有限元法是对连续体力学及物理问题的一种新的数值求解方法。有限元模拟仿真的精确度较高且具有计算复杂形状、载荷和材料性能的独特能力，可应用于骨、关节软骨及韧带、椎间盘等组织器官的生物力学研究’特别适用于解剖复杂的跟骨研究。 本试验原始数据基于CT扫描后获得的Dicom数据，利用Mimics12.0软件提取数据进行初步建模。 在Solidworks2010软件中可根据试验者对骨折类型的要求及目的切割跟骨，使其形成n型跟骨骨折，确保骨折块与临床相似，加强对骨折块间的感性认知。Ansys13.0软件可利用材料属性与内固定系统关联的定义模拟手术物理性质，并进行加载计算，得出骨骼、钢板、螺钉相互间应力、应变情况。但是受有限元分析限制，材料力学特性均界定为均质、连续和各向同性等厂’2，这种假设与跟骨本身各区域变化及个体差异略有不符。 二、载距突螺钉对跟骨骨折内固定的生物力学影响(一)骨折线加载下的结果分析 为能够更好地体现骨折端的应力、应变情况，本试验采用Solidworks2010软件对跟骨进行切%pI,使其形成Sanders型骨折’13-16,，骨折块间采用弹性模量为5MPa，泊松比0.4的软材质勃合，以此代替骨折线。通过骨折端使用软材料，对fl型跟骨模型进行加载后发现有载距突螺钉内固定模型骨折线位移最小值为9.0946x10-'mm，最大值为0.23986mm;无载距突螺钉内固定模型骨折线最小值为1.2241x10}mm，最大值为0.24938mm。由于骨折线的最小值对试验意义不大，所以我们分析比较最大值。结果显示，有载距突螺订模型骨折线位移较无载距突螺钉内固定模型小，说明载距突螺钉内固定后跟骨骨折端更稳定。 (二)载距突螺钉对跟骨模型整体的影响 从生物力学观点评价一个良好内固定的要求是 钢板及螺钉的应力应尽可能分散，避免因应力集中而出现断裂17。本试验从此角度出发，设计有载距突螺钉内固定与无载距突螺钉内固定两种模型，并进行生物力学比较。结果显不，有载距突螺钉内固定模型的跟骨最大主应力为78.582MPa，应力主要集中在载距突皮质骨周围;无载距突螺钉内固定模型的跟骨最大主应力为95.427MPa,应力主要集中于载距突皮质骨周围。有载距突螺钉内固定跟骨的最大应力明显小于无载距突螺钉内固定模型，说明有载距突螺钉时跟骨模型应力分散，符合生物力学要求。 (三)载距突螺钉的选材 目前，临床应用的载距突螺钉一般为空心钉、松质骨螺钉、皮质骨螺钉。本试验单独载距突螺钉分析，加载后载距突螺钉最小位移值为0.040659mm，最大位移值为0.15642mm，最大主应力为142.92MPa，应力集中于螺钉中部。随着中距关节面加载负荷的增大，载距突螺钉所受的应力同样会逐渐增大，这要求我们选择的载距突螺钉应具有足够的抗应力、应变性;材料，皮质骨螺钉较松质骨螺钉、空心钉抗应力强，在跟骨骨折中具有“顶梁柱”的作用。此试验结果与临床应用保持一致。 三、载距突螺钉的临床意义 在跟骨骨折中，影响患足预后最主要因素是后关节面完整程度及移位情况。因此，跟骨后关节面骨折块的复位及稳定固定至关重要而使得后关节面骨折块有效固定的前提是在跟骨的内、外侧壁均有牢固的螺钉把持点。临床中利用载距突及其与之相连的跟骨内侧壁骨折块在跟骨骨折中的稳定性，可有效解决跟骨内侧壁螺钉把持点22;而在临床中，跟骨外侧壁易发生粉碎性骨折，难以为螺钉提供有力的把持点，但是可以通过跟骨外侧钢板的螺钉孔解决这一难题。 总之，本研究分别刘一两种不同内固定方式采用有限元分析，结果显示有载距突螺钉的模型无论在骨折线位移还是在跟骨的最大主应力及钢板、螺钉最大主应力方面均优于无载距突的模型，因此fl刑跟骨骨折时使用载距突螺钉内固定符合生物力学要求，可在临床广泛推厂‘应用。 参考文献 陈建良,张龙君. 跟骨关节内骨折的分类和治疗进展[J].中国骨伤,2007,(02):138-141.doi:10.3969/j.issn.1003-0034.2007.02.008. 梅炯,俞光荣,朱辉. 跟骨载距突的解剖特点及其临床意义[J].中国临床解剖学杂志,2002,(01):9-11.doi:10.3969/j.issn.1001-165X.2002.01.003. Panchbhavi VK. Technique tip:reduction of the medial wall in calcaneal fractures[J].Foot and Ankle International,2007,(07):849-850. 王志杰,邹云雯,钟世镇. 载距突的解剖学研究及其在跟骨关节内移位骨折手术中的应用[J].中华创伤骨科杂志,2009,(02):129-132.doi:10.3760/cma.j.issn.1671-7600.2009.02.008. 张鹏,黄勇,张增方. 跟骨载距突与其外侧壁关系的测量[J].青岛大学医学院学报,2007,(06):507-509.doi:10.3969/j.issn.1672-4488.2007.06.015. 刘立峰,蔡锦方,梁进. 跟骨骨折内固定方法的有限元模拟比较[J].中国矫形外科杂志,2003,(08):557-558.doi:10.3969/j.issn.1005-8478.2003.08.019. 李维新,袁斌云,詹瑞森. 跟骨骨折的有限元模型建立[J].中国医疗前沿,2012,(11):26-27.doi:10.3969/j.issn.1673-5552.2012.11.0013. Surendran S,Kwak DS,Lee UY. Anthropometry of the medial tibial condyle to design the tibial component for unicondylar knee arthroplasty for the Korean population[J].Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy,2007,(04):436-442. Cheung JT,Zhang M,An KN. Effect of Achilles tendon loading on plantar fascia tension in the standing foot[J].Clinical Biomechanics(Bristol,Avon),2006,(02):194-203. Bevill G,Keaveny TM. Trabecular bone strength predictions using finite element analysis of micro-scale images at limited spatial resolution[J].Bone,2009,(04):579-584.
