張鑫 解品亮 費瀾 邵偉榮 徐小平 沈?qū)毩?殷勇

（上海健康醫(yī)學(xué)院附屬嘉定區(qū)中心醫(yī)院骨科，上海 201800）

踝關(guān)節(jié)骨折約占全身骨折的3.9%，發(fā)生率位居關(guān)節(jié)內(nèi)骨折首位，其中14%～44%累及后踝，并且多存在踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定[1]。后踝指脛骨遠(yuǎn)端腓切跡后側(cè)、后結(jié)節(jié)（Volkmann 結(jié)節(jié)）、踝溝、內(nèi)踝后丘等結(jié)構(gòu)，為脛腓骨遠(yuǎn)端復(fù)合體的組成部分，其作用為增加脛距關(guān)節(jié)接觸面積，降低脛距關(guān)節(jié)單位面積壓力，防止距骨后移，參與并維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性[2,3]。后踝骨折大部分合并外踝骨折及踝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷，尤其在旋轉(zhuǎn)暴力所致的旋后外旋型踝關(guān)節(jié)骨折中[4]，單獨出現(xiàn)者少見；若復(fù)位欠佳，易發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，影響踝關(guān)節(jié)功能[5]。

通常在治療踝關(guān)節(jié)旋后外旋型損傷時，外踝骨折的解剖重建及堅強固定是容易實現(xiàn)的[6,7]，目前治療的爭議在于后踝骨折如何判斷是否需要并如何行有效固定[8]；目前觀點認(rèn)為部分后踝骨塊盡管較小但對于維持下脛腓的穩(wěn)定性仍具有重要作用[9]。此時，探索外踝重建前后對于后踝關(guān)節(jié)面的力學(xué)變化，將直接影響后踝骨折塊的穩(wěn)定性，間接影響下脛腓及踝關(guān)節(jié)整體穩(wěn)定性，最終結(jié)果可能會對旋后外旋型損傷中后踝骨折的治療提出新的思路。本研究通過建立旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷有限元模型，模擬在不同程度損傷時外踝完整與否，觀察后踝關(guān)節(jié)面受力情況并進(jìn)行力學(xué)分析，為踝關(guān)節(jié)旋后外旋型踝關(guān)節(jié)骨折外踝重建完成后后踝固定思路提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 踝關(guān)節(jié)CT圖像的采集

選取1 名健康成年志愿者，既往無踝關(guān)節(jié)骨折、脫位等損傷病史，排除踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)炎、骨病及骨腫瘤等病理狀態(tài)。使用CT對志愿者的右踝關(guān)節(jié)行薄層掃描，掃描層厚0.625 mm，得到512×512 像素的圖像657張，輸出DICOM格式保存。CT掃描過程中，受試者踝關(guān)節(jié)處于旋后位非負(fù)重狀態(tài)。

1.2 三維重建及優(yōu)化

將DICOM格式圖像導(dǎo)入Mimics 21.0軟件中，對圖像分割，分別重建出脛骨、距骨、腓骨，并把距骨下面的多塊骨骼（包括跟骨、足舟骨、內(nèi)外側(cè)楔骨、骰骨、中間楔骨）融合，重建出其三維模型（圖1）。將上述重建中提取出的數(shù)據(jù)存為.STL 格式文件，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為三角面片模型，存在著畸形、扭曲、表面過于粗糙等不良結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。利用工業(yè)軟件GEOMAGICS 可以對Mimics 21.0 導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行三角面片細(xì)分、降噪、光順化處理，并通過精確曲面等過程對其進(jìn)行曲面化，最終形成三維實體模型，以利于后續(xù)的處理以及有限元模型建立及分析。

1.3 有限元模型的建立

將優(yōu)化好的三維模型導(dǎo)入Solidworks 軟件，通過參考文獻(xiàn)確定韌帶的附著點和解剖位置，將獲得的幾何模型導(dǎo)入ABAQUS 軟件中建立有限元模型，共計362 351 個節(jié)點，261 420 個單元（圖1）。骨和韌帶簡化為各向同性、均質(zhì)線彈性材料，材料參數(shù)見表1[10,11]。韌帶與骨、跟骨與距骨之間采用綁定接觸，距骨、脛腓骨、跟骨間軟骨與骨采用面面接觸，摩擦系數(shù)取0.2，最終建立有限元分析模型。

圖1 旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷有限元分析模型建立過程

表1 材料參數(shù)

1.4 有限元模型的驗證及分析

本部分模型載荷參數(shù)為距骨下表面固定，脛骨與腓骨近端加載自重載荷及內(nèi)旋力用以模擬旋后外旋型損傷。在距骨下表面設(shè)定全自由度X、Y、Z三個方向固定約束，在脛骨與腓骨上表面附近建立一個參考點，與上表面自由度耦合，施加自重載荷（脛骨上表面受壓480 N，腓骨上表面受壓120 N）以及內(nèi)旋力（逐漸加大內(nèi)旋力，模擬至Ⅳ度損傷）。對模型脛、腓骨下端的上截面施加600 N垂直壓縮載荷，固定跟骨，約束距骨，測得踝關(guān)節(jié)面的最大接觸應(yīng)力為2.1059 MPa 和接觸面積為373.658 mm2（圖2），模型有效[12]。計算結(jié)果指標(biāo)以最大應(yīng)力位置、關(guān)節(jié)面壓力等數(shù)據(jù)表示。

圖2 旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷有限元分析模型有效性驗證

2 結(jié)果

2.1 旋后外旋Ⅰ度損傷模型

1.5 N·m 內(nèi)旋力時應(yīng)力最大值位于脛腓前韌帶腓骨附著點為51.05 MPa，后踝關(guān)節(jié)面最大壓力值為2.549 MPa（圖3）。

圖3 旋后外旋Ⅰ度損傷時應(yīng)力分布情況

2.2 旋后外旋Ⅱ度損傷模型

通過去除脛腓前韌帶，外踝保留完整，此時繼續(xù)加載10 N·m 內(nèi)旋力，計算結(jié)果表明，加載10 N·m 內(nèi)旋力時應(yīng)力最大值位于脛腓后韌帶脛骨附著點為271.2 MPa，后踝關(guān)節(jié)面壓力最大值為2.626 MPa（圖4）。

圖4 旋后外旋脛腓前韌帶損傷時應(yīng)力分布情況

在去除脛腓前韌帶基礎(chǔ)上，從后上向前下繪制腓骨骨折線，構(gòu)建Ⅱ度損傷骨折模型（圖5）。計算結(jié)果表明，加載10 N·m 內(nèi)旋力時應(yīng)力最大值位于腓骨骨折面為82 MPa；后踝關(guān)節(jié)面壓力最大值為7.787 MPa（圖6）。

圖5 旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷中外踝骨折模型建立

圖6 旋后外旋Ⅱ度損傷外踝骨折時應(yīng)力分布情況

2.3 旋后外旋Ⅲ度損傷模型

在去除脛腓前韌帶基礎(chǔ)上，外踝保留完整，繼續(xù)去除脛腓后韌帶建立損傷模型；加載內(nèi)旋力，計算結(jié)果表明，去除脛腓后韌帶后應(yīng)力最大值位于距腓后韌帶腓骨附著點為132.7 MPa，關(guān)節(jié)面壓力峰值落到了腓骨側(cè)為4.505 MPa（圖7）。

圖7 旋后外旋Ⅲ度脛腓后韌帶損傷時應(yīng)力分布情況

在去除脛腓前、后韌帶基礎(chǔ)上，從后上向前下繪制腓骨骨折線，構(gòu)建旋后外旋Ⅲ度損傷模型。計算結(jié)果表明，應(yīng)力最大值位于腓骨骨折面為82.72 MPa，后踝關(guān)節(jié)面壓力最大值為8.022 MPa（圖8）。

圖8 旋后外旋Ⅲ度脛腓后韌帶損傷合并外踝骨折時應(yīng)力分布情況

3 討論

Lauge-Hansen 于1948～1954 年對踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)暴力導(dǎo)致的低能量骨折提出經(jīng)典的Lauge-Hansen分型與解釋說明。其根據(jù)損傷時足的位置和變形力量對踝關(guān)節(jié)骨折利用雙重命名方式進(jìn)行分類，系統(tǒng)解釋了旋轉(zhuǎn)暴力所致的踝關(guān)節(jié)骨折。其中70%為旋后外旋型（supination-external rotation type）骨折，系足處于旋后位受外旋暴力所致。其中Ⅲ-Ⅳ度損傷累及后踝的骨性結(jié)構(gòu)或相關(guān)韌帶。

于濤等[13]通過三維熱圖分析的方法發(fā)現(xiàn)大部分的后踝骨折線集中于一條弧形帶狀區(qū)域，帶狀區(qū)域起于距離后緣切線1/7～2/7的位置，止于距離外緣切線5/11～7/11的位置；后踝骨折塊占脛骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面總面積的比例為14.96%。過去認(rèn)為，后踝骨折塊面積占比超過25%是后踝骨折的手術(shù)治療指征。Drijfhout van Hooff 等[14]發(fā)現(xiàn)，后踝骨折面積占脛骨關(guān)節(jié)面5%～25%時骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率約48%，大于25%時骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率高達(dá)54%，且除外內(nèi)固定手術(shù)無法維持優(yōu)良的復(fù)位狀態(tài)[15]。

Mangnus等[16]認(rèn)為后踝骨折線位置可能比骨折面積的大小對穩(wěn)定性的影響更大，即使后踝骨折很小，也會影響踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定。有研究者在術(shù)后CT掃描上證實后踝骨折影響下脛腓韌帶的穩(wěn)定性，不固定的后踝可導(dǎo)致脛腓關(guān)節(jié)半脫位[17,18]。近年來有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，后踝骨折塊的固定能夠恢復(fù)下脛腓后韌帶的張力，有助于改善下脛腓聯(lián)合的復(fù)位，所獲得的穩(wěn)定性更優(yōu)于下脛腓螺釘固定的效果。甚至有學(xué)者認(rèn)為，只要存在后踝骨折，無論骨折塊多大，都應(yīng)進(jìn)行解剖重建，以減少下脛腓螺釘?shù)氖褂肹19]。因此對于后踝骨折的治療僅憑骨塊的大小判斷是否需要手術(shù)并不可靠。

本研究所構(gòu)建的旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷模型，CT圖像采集時踝關(guān)節(jié)的初始位置處于旋后位；構(gòu)建三維模型后，通過對模型脛、腓骨下端的上截面施加600 N 垂直壓縮載荷，固定跟骨，約束距骨，對模型驗證有效；通過距骨下表面固定，脛骨與腓骨近端加載自重載荷及內(nèi)旋力用以模擬旋后外旋型損傷。當(dāng)施加1.5 N·m內(nèi)旋力時，應(yīng)力最大值位于脛腓前韌帶腓骨附著點，符合臨床中Lauge-Hansen分型的描述[20]。

通過去除脛腓前韌帶，同時構(gòu)建外踝骨折與外踝保留完整相比較；繼續(xù)加載10 N·m 內(nèi)旋力時，應(yīng)力最大值由外踝骨折端位置轉(zhuǎn)變?yōu)槊勲韬箜g帶脛骨側(cè)附著點；后踝關(guān)節(jié)面壓力最大值由7.787 MPa減小為2.626 MPa；后踝最大受力部位出現(xiàn)明顯后移。通過去除脛腓后韌帶，同時構(gòu)建外踝骨折與外踝保留完整相比較；應(yīng)力最大值由骨折斷端及Ⅱ度損傷的脛腓后韌帶脛骨側(cè)附著點轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯韬箜g帶腓骨附著點；在Ⅲ度損傷中，外踝重建完成后，關(guān)節(jié)面的受力情況由脛骨轉(zhuǎn)為腓骨側(cè)，這可能與踝關(guān)節(jié)存在的不穩(wěn)定有關(guān)系[21]；而后踝關(guān)節(jié)面壓力由8.022 MPa 明顯減小至2.628 MPa，此時壓力大小與Ⅰ度損傷時接近。后踝受力部位較Ⅱ度損傷并未出現(xiàn)明顯變化。

分析上述的數(shù)據(jù)可以得出，在旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷時外踝的解剖重建及堅強固定可以明顯減少后踝關(guān)節(jié)面的應(yīng)力；同時解剖重建的完成，將會使得應(yīng)力的最大分布由骨折斷端轉(zhuǎn)為韌帶附著點，同時后踝最大受力部位出現(xiàn)明顯后移。這就意味著旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷的外踝重建完成后，應(yīng)力的作用下后踝骨折的垂直不穩(wěn)定將明顯減小，由于韌帶的牽拉導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定將會更加明顯，最大應(yīng)力比為132.7∶4.5；所以后踝骨折來說旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的建立可能比垂直穩(wěn)定性更加重要。若后踝骨折及脛腓后韌帶穩(wěn)定性得不到滿足，較正常人后踝關(guān)節(jié)面的最大接觸應(yīng)力增大到正常2 倍多，進(jìn)一步加重踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定。因此在旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷外踝重建后方結(jié)構(gòu)將對踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，這與Mangnus 等[16]、Gardner 等[17]的 觀點 不 謀而 合。至 于后踝骨折內(nèi)固定方式的選擇，兩枚螺釘墊片就已經(jīng)具備良好的抗旋轉(zhuǎn)性，而Buttress接骨板抗垂直暴力更優(yōu)；所以內(nèi)固定選擇兩枚螺釘墊片可能對于外踝重建后的旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷中后踝骨折已經(jīng)足夠，但這需要進(jìn)一步的生物力學(xué)研究證明。

本研究的不足之處在于，暫未進(jìn)一步對累及三角韌帶及內(nèi)踝骨折的Ⅳ度損傷、后踝骨折構(gòu)建以及內(nèi)固定方式的選擇進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

4 結(jié)論

本研究表明，旋后外旋型踝關(guān)節(jié)損傷外踝重建對后踝關(guān)節(jié)面應(yīng)力變化具有重要意義，當(dāng)外踝重建完成后能夠明顯減小后踝關(guān)節(jié)面的壓力分布，此時后踝骨折及脛腓后韌帶穩(wěn)定性重建意義將凸顯。