鎖定鋼板固定SandersⅣ型跟骨骨折的有限元分析

　　粉碎性跟骨骨折，尤其是SandersIV型跟骨骨折多為高空墜落等高能量損傷所致，一般傷后局部軟組織腫脹較嚴重，加之跟骨和周圍解剖結構復雜，局部軟組織覆蓋質量差，故治療困難，且并發(fā)癥多，預后較差。目前針對此類骨折的治療仍存有爭議，部分學者!}-z}主張早期以外固定支架固定2一3周，待腫脹消退后行切開復位鋼板內(nèi)固定治療。另一部分學者}3-1{認為SandersW型跟骨骨折關節(jié)面碎裂嚴重，術中很難將關節(jié)面對齊，并恢復跟骨正常的長度、寬度、高度、Bohle:角等，術后遠期創(chuàng)傷性關節(jié)炎發(fā)生率較高，且骨塊壓縮較多，術中植骨后傷口長期不愈，為了避免此類并發(fā)癥，可采用一期外固定支架后固定二期行距下關節(jié)融合術治療。本研究擬通過建立鎖定鋼板內(nèi)固定治療SandersW型跟骨骨折的有限元模型，旨在探討此類骨折的佳治療方案，同時為現(xiàn)有的鎖定鋼板治療理念和技術提供理論依據(jù)。 　　

　　材料與方法 　　

　　一、有限元模型的建立 　　

　　選取健康志愿者I名(該志愿者已簽署知情同意書并符合相關醫(yī)學倫理學的要求)，男，26歲，體質量70kg，經(jīng)過X線檢查排除足躁部損傷或疾病雙足行螺旋CT平掃(16排螺旋CT,GE公司，美國).球管電壓120kV，電流65一150mA,暴露時間0.5一1.0、，選擇骨組織窗掃描，掃描層厚0.625mm，掃描長度為躁關節(jié)上方10cm至足底，所得數(shù)據(jù)以.dicom格式保存，共289張圖片。采用右側足踩數(shù)據(jù)為樣本，將二維.dicom格式保存的數(shù)據(jù)導人Mimics13.0軟件(Materialise公司，比利時)，設定適當?shù)幕叶菼值，對圖像進行分割，輸出.stl格式文件，導人Ceomagic10.0軟件(Geomagic公司，美國)進行光滑處理，并模擬Sanders型跟骨骨折進行截骨，根據(jù)骨折模型將骨折塊分成8塊(圖l}，擬合曲面，以.iges文件輸出。 　　

結合跟骨的三維測量數(shù)據(jù)，根據(jù)Synthes公司提供的數(shù)據(jù)，應用proE4.。三維繪圖軟件(PTC公司，美國)對跟骨鎖定鋼板進行三維虛擬重建，螺釘以直徑為3.5mm圓柱體進行簡化處理，所得結果以.iges輸出。再將跟黔和內(nèi)固定的幾何模型導人有限元分析前處理軟件Hypermesh10.O}Altair，美國)中進行裝配，生成鋼板內(nèi)固定的有限元模型(圖2)。所有模型均采用solid185單元，所得共劃分36131個單元和69590個節(jié)點，然后導人有限元分析軟件Ansys13.0(ANSYS公司，美國)后進行處理分析。 　　

　　二、材料屬性 　　

　　本研究中內(nèi)固定和骨的相關材料為均質、各向同性的fsl，材料屬性參考相關文獻{6一7」(表1).
　　三、邊界條件和加載
　　假設為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.2}8}。將跟骨、足部負重區(qū)三維有限元模型下緣全部節(jié)點的自由度約束為0作為邊界條件，即遠端各節(jié)點在、、y、z軸上的位移為o}普通加壓鋼板設定與跟骨接觸為加壓摩擦接觸，鎖定鋼板與跟骨間不考慮加壓摩擦接觸。采用目前常用的簡化模型，不考慮韌,!fi:影響。計算該狀態(tài)下跟骨與鋼板的應力分布、位移。假定人體質量為70k};此狀態(tài)下軸向應力。 　　

　　四、評價指標 　　

　　通過以下指標評定:①跟骨骨折塊和內(nèi)固定的應力分布、應力峰值;②跟骨和內(nèi)固定的大應力點、大位移區(qū)域。 　　

　　結果
　　一、骨折塊與鋼板的應力分布
　　鎖定鋼板固定后，軸向700N應力時各骨折塊的應力分布(圖3)提示，跟骨側應力集中于距下關節(jié)內(nèi)側面、近跟下關節(jié)處骨塊一螺釘界面、近足跟處骨塊-螺釘界而、近跟般關節(jié)一面骨塊一螺釘界面，應力大小分別為15.224,13.083,9.786,7.632MPa;鋼板螺釘大應力為260.1MPa，主要集中于鋼板中后段，即后側骨塊與中前側骨塊的骨折線處二、骨折塊與鋼板的位移分布(圖4)骨折塊中發(fā)生位移較大的部位為載距突、后側骨塊與中間骨塊接觸部、中間骨塊與前側骨塊接觸部，分別為0.403,0.320,0.319mmo鋼板螺釘大位移位于上排螺釘遠端，其中大位移為固定載距突的螺釘遠端，大小為0.390mm.
　　討論
　　切開復位內(nèi)固定治療跟骨關節(jié)內(nèi)骨折，恢復關節(jié)面的平整非常關鍵。但是跟骨為松質骨，即使術中對-關節(jié)面進行很好地復位，術后依然會存在不同程度的塌陷，尤其是加壓鋼板固定時，初始的關節(jié)面塌陷不可避免。骨科內(nèi)固定器械的改良和發(fā)展已經(jīng)改變了以往“跟骨骨折切開復位內(nèi)固定是行不通”的觀點，目前大部分學者都認同切開復位內(nèi)固定技術可以用于大部分跟骨骨折的治療，且療效優(yōu)于保守治療。對于關節(jié)面碎裂較為嚴重的SandersW型骨折，內(nèi)固定的固定效果直接決定了預后。術后長期的疼痛、高發(fā)的創(chuàng)傷性關節(jié)炎均使部分學者選擇距下關節(jié)融合術來治療此類患者。從本研究結果來看，當跟骨受到軸向壓力時，各骨折塊之間位移不同，大位移部位位于載距突，其發(fā)生的位移可為中部及外側骨折塊的2倍，術后關節(jié)面的臺階將不可避免。因此，目前的鎖定鋼板內(nèi)固定技術治療SandersW型跟骨骨折并不能較好地維持關節(jié)面的平整，早期下地負重可能會加重關節(jié)面的不平整，從而導致遠期創(chuàng)傷性關節(jié)炎的高發(fā)。 　　

　　新的鎖定螺釘不斷改進，提高了患者的預后，但仍有待于進一步驗證。本研究結果提供了幾個重要信息，即Sanders型跟骨骨折鎖定鋼板內(nèi)固定后的應力分布特點、鋼板應力分布特點、骨折塊的位移分布特點及螺釘位移分布特點。接下來將根據(jù)實驗結果對以上幾個方面進行綜合分析，提出針對SandersW型跟骨骨折的新治療理念和鋼板螺釘?shù)母倪M方向。 　　

本研究結果顯示，軸向700N應力時跟骨應力集中于距下關節(jié)內(nèi)側面、近距下關節(jié)處骨塊一螺釘界面、近足跟處骨塊一螺釘界面、近跟骸關節(jié)面骨塊一螺釘界面。這4個區(qū)域剛好組成一個三角形，所受應力大的部位為三角形的頂端，其次為近足跟處，后為近跟骸關節(jié)處，此處的螺釘所受應力大。因此，跟骨的力學特性符合三角穩(wěn)定理論，使用鋼板螺釘固定時，以上3個區(qū)域需要達到穩(wěn)定，好使用較粗的鎖定螺釘加以固定，一方面能夠對跟骨體的基本形態(tài)維持較好的支撐作用;另一方面，術中置人螺釘時也可以首先通過固定這3枚螺釘來確定解剖標定點，再依次加以固定。其中頂端的螺釘相當于從跟骨外側面置人載距突的螺釘，鎖定螺釘置人方向不易控制，往往很難將螺釘較好地固定在載距突上，普通鋼板螺釘雖能實現(xiàn)，然而目前的生物力學研究表明普通鋼板螺釘?shù)某醪焦潭ǚ€(wěn)定性較鎖定鋼板差，并不能較好地維持載距突的穩(wěn)定性，因此，新型的跟骨鎖定鋼板尚有待開發(fā)。 　　

　　鋼板的應力分析結果顯示，跟骨體中部與足跟骨折線處為鋼板應力集中部位，其應力峰值達260.1MPa，由于跟骨鋼板較薄，任何一種鋼板都難以接受此應力強度下的疲勞。其他學者}13}的研究中也提及，如跟骨中后段存在骨折或骨缺損，鋼板中后段較易發(fā)生屈曲變形，此結果與本實驗結果相似。此并發(fā)癥可通過以下2種方法降低:，骨折線周圍置人普通加壓螺釘，通過鋼板與骨面的加壓作用增加鋼板與骨面的摩擦力，從而代償鋼板承受太多的應力;第二，通過改變鋼板形態(tài)，將橫跨骨折線的鋼板設計為三角形穩(wěn)定結構，即在原鋼板基礎上加一條橫跨對角線的鋼板，從而增加鋼板固定的穩(wěn)定性。然而這一切尚停留在理論階段，有待于通過實驗進一步驗證。 　　

　　從位移結果看，骨折塊中發(fā)生位移較大的部位為載距突、后側骨塊與中間骨塊接觸部、中間骨塊與前側骨塊接觸部，鋼板螺釘大位移部位于上排螺釘遠端。跟骨的大應力部位位于跟骨內(nèi)側距下關節(jié)面，位移大部位位于載距突，因此我們有理由認為，跟骨骨折時，當受到軸向應力的作用時，內(nèi)側骨塊需要承受更大的應力，理想的鋼板應該為固定在跟骨內(nèi)側的支撐鋼板，然而由于跟骨內(nèi)側軟組織結構的復雜性，臨床中幾乎沒有學者采用內(nèi)側切日置人鋼板。如需從外側置人鋼板，則需要使用鎖定鋼板螺釘固定關節(jié)面的骨塊，在此我們參考撓骨遠端骨折使用的“平行竹排”理論，使用多枚相互平行的鎖定螺釘緊貼距下關節(jié)面置人，以對其起到較好的支撐作用〕然而這也需要通過生物力學試驗進一步證實。 　　

有限元分析法為近年來分析骨折內(nèi)固定療效的常用方法，具有低成本、可重復的優(yōu)勢，其通過靜態(tài)下的應力分布來推斷骨折、內(nèi)固定的疲勞部位，進而對術式和內(nèi)固定進行改良。本研究采用不銹鋼材質的鋼板，與傳統(tǒng)的欽合金不同，主要原因在于不銹鋼剛度較高，用于鎖定鋼板對于維持距下關節(jié)的穩(wěn)定性效果更佳。手術操作是一個非常復雜的過程，術中往往不能置滿螺釘，而本研究中所涉及的情況均為理想狀態(tài)下的實驗條件，即探討在充分復位時螺訂置滿情況下的關節(jié)面的穩(wěn)定情況;而且通過本研究所得的結論來看，承受應力較大的螺釘主要位于載距突、近距卜關節(jié)面、足跟處，其他部位承受應力較小，因此，在此不考慮螺釘排列對應力的影響。臨床中SandersW型跟J哥骨折完成關節(jié)面復位后常存在骨缺損，需要植骨來維持關節(jié)面的穩(wěn)定性，此點在本實驗中未涉及，將在今后的研究中加以補充二綜上所述，通過本研究結果，我們認為對于Sanders型跟骨骨折目前治療方式為距下關節(jié)融合術，如需要切開復位鋼板內(nèi)固定術治療則需要對目前的鋼板進行改進。理想的跟骨外側鋼板為鎖定鋼板，呈M型，頂端、近距下關節(jié)面處、足跟處、近跟殷關節(jié)處可選用鎖定螺釘固定，鋼板中后部選用加壓松質骨螺釘固定可能能夠達到更好的固定效果。 　　

　　參考文獻 　　

　　Howard JL,Buckley R,McCormack R. Complications following management of displaced intra-articular calcaneal fractures:a prospective randomized trial comparing open reduction internal fixation with nonoperative management[J].Journal of Orthopaedic Trauma,2003,(4):241-249.doi:10.1097/00005131-200304000-00001.
　　Besch L,Radke B,Mueller M. Dynamic and functional gait analysis of severely displaced intra-articular calcaneus fractures treated with a hinged external fixator or internal stabilization[J].Journal of Foot and Ankle Surgery,2008.19-25.
　　Potenza V,Caterini R,Farsetti P. Primary subtalar arthrodesis for the treatment of comminuted intra-articular calcaneal fractures[J].Injury.British Journal of Accident Surgery,2010.702-706.
　　Radnay CS,Clare MP,Sanders RW. Subtalar fusion after displaced intra-articular calcaneal fractures:does initial operative treatment matter[J].Journal of Bone and Joint Surgery-American Volume,2009.541-546.
　　Wirtz DC,Pandorf T,Portheine F. Concept and development of an orthotropic FE model of the proximal femur[J].Journal of Biomechanics,2003,(2):289-293.doi:10.1016/S0021-9290(02)00309-3.
　　Sitthiseripratip K,Van Oosterwyck H,Vander Sloten J. Finite element study of trochanteric gamma nail for trochanteric fracture[J].Medical Engineering and Physics,2003.99-106.
　　Kobayashi E,Wang TJ,Doi H. Mechanical properties and corrosion resistance of Ti-6A1-7Nb alloy dental castings[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,1998.567-574.
　　Sowmianarayanan S,Chandrasekaran A,Kumar RK. Finite element analysis of a subtrochanteric fractured femur with dynamic hip screw,dynamic condylar screw,and proximal femur nail implants--a comparative study[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine,2008.117-127.
　　Tennent TD,Calder PR,Salisbury RD. The operative management of displaced intra-articular fractures of the calcaneum:a two-centre study using a defined protocol[J].Injury.British Journal of Accident Surgery,2001.491-496.
　　Thermann H,Hufner T,Schratt E. Long-term results of subtalar fusions after operative versus nonoperative treatment of os calcis fractures[J].Foot and Ankle International,1999.408-416.