曹 辰 黃國偉 姜雪峰

南通大學附屬江陰醫(yī)院，江蘇省江陰市 214400

跟骨骨折較為常見，約占跗骨骨折的60%，常見于高能量損傷，如高處墜落或車禍等，軸向暴力向下傳導，使距骨撞擊跟骨，此時足的位置、方向、應力的大小和骨質的好壞，決定了骨折的類型及嚴重程度。由于跟骨解剖結構復雜、局部軟組織覆蓋條件差、較高的負重集中，對于跟骨骨折的治療結果通常較差，常會導致患者的長期足痛，足踝功能下降[1]，甚至會造成遠期的創(chuàng)傷性關節(jié)炎，而不當?shù)闹委煼绞礁鼤又貙颊叩牟涣加绊慬2-3]。跟骨的生物力學較為復雜，距下關節(jié)對其功能影響最為明顯[4]，治療各型跟骨骨折，應盡可能地做到恢復關節(jié)面的完整性、恢復跟骨的Bohler角、恢復跟骨的長度及寬度，從而恢復跟骨的正常形態(tài)。由于跟骨的復雜外形，其再塑形能力較管狀骨差，跟骨骨折術后的患者，骨折愈合后跟骨的形態(tài)很大程度上取決于術中骨折復位的程度，雖然不同復位程度的手術，經(jīng)過妥善的術后管理，骨折都有完全愈合的可能，然而畸形愈合的跟骨由于應力峰值及應力分布的改變，都會是造成患者長期足痛、足部創(chuàng)傷性關節(jié)炎的可能原因，因此對于跟骨骨折的治療還應做到恢復足部常態(tài)的應力分布，即使無法做到完全的解剖復位，也應將生物力學的改變控制在一定的范圍內，減少對患者的遠期影響。Sanders ⅡC舌形骨折是綜合Sanders分型和Essex-Lopresti分型兩種分型方法，在側位X線片上觀察到的繼發(fā)骨折線符合舌形骨折標準，同時在CT冠狀面上，只有一條偏向內側1/3靠近載距突的骨折線經(jīng)過后距下關節(jié)面的骨折類型。Sanders ⅡC舌形骨折在臨床上并不罕見，通常采用經(jīng)皮撬撥復位或跗骨竇入路等微創(chuàng)手術方式，術野較小，對骨折塊的暴露不足，術中以X線側位片上的Bohler角為依據(jù)，對塌陷的跟骨高度進行復位，易出現(xiàn)復位不足的情況，本研究通過有限元法研究Sanders ⅡC舌形跟骨骨折，不同Bohler角恢復程度愈合后，跟骨應力的變化情況，以確定Bohler角恢復程度對Sanders ⅡC舌形跟骨骨折患者遠期預后的影響。

1 對象和設備

1.1 對象 選取一名志愿者，45歲，身高170cm，體重70kg，經(jīng)X線和CT檢查，排除足踝部外傷史及關節(jié)疾病史。

1.2 設備與軟件 (1)CT設備：General Electrics 64層螺旋CT機(GE_MEDICAL_SYSTEMS/Optima CT660)；(2)計算機配置：圖形處理器工作站T7910，Intel (R)Xeon(TM)CPU至強E5-2650×2,24G 內存，硬盤：2 000G；(3)軟件：Mimics15.0軟件(Materialise’s Interactive Medical Image Control System，Mimics，交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng))，ANSYS13.0軟件(ANSYS公司，美國)，Geomagic Studio12.0軟件(Raindrop公司，美國)，Hypermesh12.0軟件(Altair公司，美國)。

1.3 數(shù)據(jù)采集 應用螺旋CT(Computer Tomography)對足部進行薄層連續(xù)掃描，掃描厚度為0.625mm，重建0.625mm，球管電流為200mA，電壓為120kV，掃描時患者平躺在檢查臺上，與掃描的線圈平面垂直。掃描圖像的層厚0.625mm，層間距0.625mm，512×512像素，掃描范圍從股骨下端至足底，共獲得斷層圖像序列710張，以Dicom格式存儲于計算機中。

1.4 有限元模型的建立 將以DICOM格式存儲的圖像數(shù)據(jù)，導入Mimics15.0醫(yī)學圖像處理軟件中，調節(jié)圖像閾值，設定為226～2 676HU，用工具編輯每層圖像覆蓋的Mask形狀，獲得足部骨骼模型的準確輪廓，利用軟件三維重建功能生成足部的三維模型，并將跟骨及距骨從整個模型中提取出來。將跟骨及距骨導入到3-matic軟件，對跟骨進行截骨處理，制作出Bohler角減少3°、6°、9°及12°的舌形骨折跟骨模型，旋轉距骨與跟骨匹配。以骨與骨之間的間隙為邊界，提取骨的上下曲面，用造型工具建立關節(jié)間的軟骨，通過布爾減操作，使得軟骨與距骨和跟骨關節(jié)面完美貼合。利用Geomagic Studio軟件對3-matic軟件導出的STL文件進行編輯，利用網(wǎng)格衍生功能對其表面進行破面修補，封閉模型，模擬跟骨骨折術后完全愈合的跟骨形態(tài)，將各模型以*iges格式導出。將上述模型進行組裝，從而生成跟骨、距骨及關節(jié)軟骨等模型供后續(xù)Hypermesh使用。在Hypermesh軟件中，模型的各部分分別建立為一個元件。對每個部分經(jīng)過必要的quick edit處理后，劃分體網(wǎng)格。因為研究對象為不規(guī)則模型，網(wǎng)格選用四面體Solid187單元網(wǎng)格(見表1)。通過參考相關韌帶止點的解剖學參數(shù)[5-6]，利用桿單元Link180添置骨間韌帶。韌帶的彈性模量：260MPa。根據(jù)文獻的描述[7-8]，在Hypermesh軟件中對模型的各部分進行材料屬性的分配(見表2)。 然后將所有有限元模型導入ANSYS13.0軟件中處理分析。

表1 模型的單元數(shù)與節(jié)點數(shù)

表2 模型材料參數(shù)

1.5 邊界條件和載荷 假設人體質量70kg，單足站立，承受全身全部體重，作用于距下關節(jié)的載荷為700N。約束跟骨下所有節(jié)點，模擬人體站立位，跟骨接觸地面。

2 結果

從應力分布的角度上看，正常跟骨模型的應力較為均勻地分布在距下關節(jié)面、跟骰關節(jié)及跟骨體部，應力峰值出現(xiàn)在距下關節(jié)后關節(jié)面前外側，為41.79MPa，Bohler角減少3°時的跟骨應力分布向前集中，主要分布在距下關節(jié)的前方及跟骰關節(jié)，且應力峰值明顯升高，為67.80MPa；Bohler角減少6°時，應力分布集中在距下關節(jié)的前方及跟骰關節(jié)處，應力峰值繼續(xù)升高，為72.24MPa；而當Bohler角減少9°時，應力分布集中在距下關節(jié)的前方及跟骰關節(jié)，應力峰值較前降低，為46.25MPa；當Bohler角減少12°時，應力分布集中在距下關節(jié)的前方及跟骰關節(jié)，應力峰值為41.47MPa(見圖1、2)。跟骨與距骨的接觸面積在正常跟骨模型中為1 606.07mm2，在Bohler角減少3°時，接觸面積為1 525.53mm2，在Bohler角減少6°時，接觸面積為1 484.83mm2，在Bohler角減少9°時為1 451.06mm2，在Bohler角減少12°時為1 432.86mm2。

圖2 5種跟骨模型應力峰值

3 討論

本研究所用的有限元模型采用健康自愿者CT重建的數(shù)據(jù)，所建模型其壓縮剛度為660N/mm，與相關文獻[9]結果的634N/mm比對，本研究的結果在合理的范圍內。本研究模型顯示正常跟骨受力時，應力較為均勻地分布在距下關節(jié)后關節(jié)面、前中關節(jié)面，跟骰關節(jié)及跟骨體部，應力峰值出現(xiàn)在距下關節(jié)后關節(jié)面的前外側，這與湯榮光等[10]應用10具新鮮尸體標本在中立位下對距下關節(jié)加載600N所得的結果一致。綜上，顯示模型是準確有效的。

跟骨是足內外側縱弓的共同后臂，跟骨與距骨組成距下關節(jié)，協(xié)調中后足與踝關節(jié)的運動，而跟骨的正常形態(tài)是維持距下關節(jié)運動和力學穩(wěn)定前提，骨折后跟骨形態(tài)的改變將對足部生物力學產(chǎn)生重大影響。目前關于跟骨骨折生物力學的有限元研究多著眼于比較不同內固定方式所帶來的應力分布、最大應力等因素的改變，對于跟骨骨折畸形愈合后的生物力學研究較為少見。Sanders ⅡC舌形跟骨骨折的微創(chuàng)手術治療易出現(xiàn)Bohler角復位不足，本研究著眼于Sanders ⅡC舌形跟骨骨折經(jīng)過不同程度的復位，骨折愈合后所帶來的跟骨生物力學因素的改變，分析復位不足可能對跟骨骨折患者術后遠期生活質量的影響。研究結果表明，當舌形骨折塊復位程度不足，Bohler角減小時，跟骨的整體應力向前方集中，分布在距下關節(jié)的前方和跟骰關節(jié)，跟骨整體上的應力峰值呈逐漸增大的趨勢，當Bohler角繼續(xù)減小，減小的程度為9°時，跟骨的高度明顯降低，距骨處于相對背伸位，造成跟骨負重中心的過度前移，跟骨所受部分負荷為中足所分擔，造成跟骨整體上的應力峰值開始降低，隨著Bohler角的繼續(xù)減小，中足所分擔的負荷繼續(xù)增大，跟骨整體上的應力峰值呈逐漸降低的趨勢。

跟骨是最大的跗骨，在人體活動過程中，作為主要的承重骨，在人體中立位時，承受全身50%的體重，而在運動過程中，其承重可達到體重的4倍，過高的負重也使得跟骨成為足踝部最易骨折的部位之一[11]。當Bohler角減小到一定程度時，在總壓力不變的情況下，作為主要承重骨的跟骨，它的部分負重為中足分擔，跟骨的應力降低，中足的負荷則相應加重，這種異常的足部生物力學長期持續(xù)，造成跟骰關節(jié)發(fā)生退行性改變，從而導致關節(jié)對應部位的疼痛及跟骰關節(jié)創(chuàng)傷性關節(jié)炎的演變。有研究表明，部分跟骨骨折畸形愈合后的患者會出現(xiàn)跟骰關節(jié)前方的疼痛，影像學資料可見跟骰關節(jié)骨關節(jié)炎，激素痛點封閉可以幫助明確受累關節(jié)的診斷，對于這類病人，如保守治療無效，則可能需要進行跟骰關節(jié)融合術[12]，增加了患者的長期痛苦，因此在治療跟骨骨折時就應該避免這種異常的足部生物力學分布。跟骨骨折的復位不足常被認為是造成術后不良影響的因素。有研究認為，跟骨骨折Bohler降低40%左右會對踝關節(jié)的應力分布造成顯著影響，導致內踝關節(jié)面與脛距關節(jié)面應力集中[13]。在本研究中，正常的Bohler角為31°，當Bohler角減少9°，即Bohler角為正常的70%時，跟骨的高度明顯降低，距骨相應背伸，跟骨負重中心前移，跟骨的應力在距下關節(jié)前方及跟骰關節(jié)處集中，應力峰值降低，部分負重為中足分擔，造成中足的過度負荷。因此推薦在使用Bohler角作為評估跟骨骨折手術指標時，應將Bohler角的減小控制在30%以內。

較正常跟骨模型而言，Bohler角減小對跟骨與距骨的接觸面積并無明顯改變，這是因為跟骨上較大的后關節(jié)面是一個近似橢圓形的凸面，與距骨關節(jié)面上的凹面相匹配，而跟骨的前中關節(jié)面是一個凹面，與之對應的距骨關節(jié)面是一個凸面的形狀，當 Bohler角降低時，關節(jié)面在矢狀面上進行相對旋轉，而這種凸面與凹面的匹配關系造成關節(jié)面的接觸面積變化并不顯著。

本研究的不足之處在于對足部模型進行了簡化處理，忽略了足部筋膜、肌肉及韌帶等結構對足部穩(wěn)定性的影響，但仍可滿足實驗要求。實際的骨折線可能更為復雜，并且在本模型中，對于距骨及跟骨的相對位置關系，受限于有限元分析建模的局限性，只考慮了其在矢狀面上的旋轉，而忽略了可能存在的內翻或是外翻。而本研究是對于骨折愈合模型的研究，因此尸體標本的方法難以滿足實際的研究要求，故而采用有限元建模的研究方法。有限元分析雖然能夠模擬足部的復雜結構，研究內部的生物力學變化，但不可避免地會根據(jù)研究的目的與條件進行適當?shù)暮喕痆3, 14]，所以仍需同大量的生物力學研究與臨床病例研究相佐證。