程邦君 黃燕峰 羅軼

上海市第六人民醫(yī)院金山分院骨科 （上海 201599）

后踝骨折多由旋轉(zhuǎn)或（和）垂直暴力導(dǎo)致，單獨(dú)發(fā)生少見，多數(shù)同時(shí)伴有內(nèi)外踝骨折和（或）踝關(guān)節(jié)韌帶受損，以往未引起足夠重視，近年來隨著三維CT 掃描技術(shù)的發(fā)展，后踝骨折逐漸被臨床醫(yī)師所關(guān)注。目前后踝骨折臨床研究報(bào)道較多，對(duì)于內(nèi)固定方式的選擇臨床多傾向于空心螺釘或鋼板，但對(duì)于臨床各種固定材料在有限元生物力學(xué)方面的穩(wěn)定性報(bào)道較少［1-4］。經(jīng)醫(yī)學(xué)倫理審核［倫研批第（jsxxyy202022）］，本研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)建立Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型，通過對(duì)使用空心螺釘、支撐鋼板及重建鋼板固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型來行有限元分析，評(píng)價(jià)3 種內(nèi)固定材料的生物力學(xué)性能，從有限元生物力學(xué)角度尋找Haraguchi Ⅱ型后踝骨折的固定方法，為臨床對(duì)此類后踝骨折固定材料的應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 材料及軟件選取1 名健康的成年男性志愿者，年齡40 歲，身高175 cm，體質(zhì)量74 kg，排除下肢及足部腫瘤、外傷、畸形等異常情況。應(yīng)用128排螺旋CT掃描雙下肢（掃描條件：層厚0.6 mm、螺距0.6 mm 自上而下進(jìn)行螺旋掃描）。將采集的CT 掃描數(shù)據(jù)以Dicom 格式保存；選用Mimics 19.0、Geomagic 2013、Hypermesh 14.0、Solidworks 2014 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型建立使用Mimics 19.0 軟件的醫(yī)學(xué)圖像分割功能根據(jù)CT 圖像灰度提取脛骨的三維輪廓的Dicom 數(shù)據(jù)。將采集的Dicom 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 2013，運(yùn)用網(wǎng)格醫(yī)生、基于曲率的孔填充和雕刻刀等操作對(duì)三角面片進(jìn)行編輯，構(gòu)建脛骨實(shí)體外形，同時(shí)根據(jù)Haraguchi 對(duì)后踝骨折的分類構(gòu)建Ⅱ型后踝骨折模型。

1.3 內(nèi)固定材料有限元模型建立將Geomagic Studio 2013 處理過的Dicom 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0中的3-matic 插件中進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分并生成體網(wǎng)格，最后保存成ABAQUS 文件。將所保存的ABAQUS文件導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS 6.10-1中，分別建立4 個(gè)模型：（1）正常脛骨模型；（2）以3 枚后踝空心螺釘+2 枚內(nèi)踝空心螺釘固定的HaraguchiⅡ型后踝骨折模型（圖1A）；（3）以后踝支撐鋼板+2 枚內(nèi)踝空心螺釘固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（圖1B）；（4）以后踝重建鋼板+2 枚內(nèi)踝空心螺釘固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（圖1C）。在ABAQUS 6.10-1 中對(duì)各模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)模型中各種材料進(jìn)行賦值（表1［5-6］）。

表1 有限元模型中各種材料屬性Tab.1 Various material properties in finite element models

圖1 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折不同固定材料的內(nèi)固定模型Fig.1 Internal fixation models of Haraguchi typeⅡ posterior ankle fractures using different fixation materials

1.4 模型的邊界條件及加載固定脛骨遠(yuǎn)端各方向自由度，模擬單足站立姿態(tài)，從脛骨垂直向下均勻分布加載500 N，模擬正常體質(zhì)量（體質(zhì)量60 kg）［7］。載荷施加方向與下肢力學(xué)軸方向一致。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取不同固定材料固定的應(yīng)力值和位移值。在不同后踝骨折材料固定下所受的應(yīng)力值越大，固定材料易發(fā)生松動(dòng)或（和斷裂）情況；脛骨的總體位移越小，內(nèi)固定穩(wěn)定性越好。

2 結(jié)果

2.1 后踝骨折的有限元模型結(jié)果對(duì)完整脛骨實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共生成實(shí)體單元76 513 個(gè)，節(jié)點(diǎn)12 866 個(gè)；螺釘固定后踝模型，共生成實(shí)體單元112 553 個(gè)，節(jié)點(diǎn)72 914 個(gè)；支撐鋼板固定后踝模型，共生成實(shí)體單元126 655 個(gè)，節(jié)點(diǎn)85 667 個(gè)；重建鋼板固定后踝模型，共生成實(shí)體單元115 054 個(gè)，節(jié)點(diǎn)69 509 個(gè)。

2.2 完整脛骨的有限元模型結(jié)果完整脛骨受單腿站立載荷時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在靠近腓骨的脛骨下側(cè)和遠(yuǎn)離腓骨的脛骨上側(cè)處，最大應(yīng)力為6.71 MPa（圖2A）。完整脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.294 mm，由脛骨上關(guān)節(jié)面向內(nèi)踝關(guān)節(jié)面遞減分布（圖2B）。

圖2 完整脛骨應(yīng)力及位移云圖Fig.2 Complete tibial stress and displacement cloud map

2.3 空心螺釘固定后踝骨折分析結(jié)果空心螺釘固定后踝時(shí)，應(yīng)力集中于空心螺釘與骨折端接觸的位置，分布范圍較小。3 枚后踝空心螺釘中，處于上方位置的空心螺釘最高應(yīng)力大于其他2 枚空心螺釘，靠近內(nèi)踝側(cè)空心螺釘最高應(yīng)力小于其他2 枚空心螺釘。3 枚空心螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力分別為43.2、12.7 和7.8 MPa；2 枚內(nèi)踝空心螺釘中，位于上方位置的空心螺釘最高應(yīng)力大于下方位置的空心螺釘，2 枚空心螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力分別為5.6 和5.4 MPa，而3 枚空心螺釘固定時(shí)的脛骨最大應(yīng)力為29.4 MPa（圖3A）。空心螺釘固定脛骨的總位移變化范圍為0～0.391 mm，同樣由脛骨上關(guān)節(jié)面向內(nèi)踝關(guān)節(jié)面遞減分布（圖3B）。

圖3 空心螺釘固定后踝骨折模型的應(yīng)力及位移云圖Fig.3 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with hollow screws

2.4 支撐鋼板固定后踝骨折分析結(jié)果支撐鋼板固定后踝骨折時(shí)，高應(yīng)力區(qū)集中于靠近腓骨一側(cè)的鋼板部分。支撐鋼板固定時(shí)的整體應(yīng)力高于空心螺釘，最大主應(yīng)力為241.1 MPa；用于固定支撐鋼板的4 個(gè)螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力為101.6 MPa，集中在螺釘與支撐鋼板和脛骨連接處；2 枚內(nèi)踝空心螺釘中，位于上方的空心螺釘?shù)淖罡邞?yīng)力大于下方位置的空心螺釘，其最大應(yīng)力分別為2.5 MPa 和2.2 MPa。支撐鋼板固定時(shí)的脛骨最大應(yīng)力為24.7 MPa（圖4A）。支撐鋼板固定脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.349 mm，也是由脛骨上關(guān)節(jié)面向內(nèi)踝關(guān)節(jié)面遞減分布（圖4B）。

圖4 支撐鋼板固定后踝骨折模型的應(yīng)力及位移云圖Fig.4 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with supporting steel plate

2.5 重建鋼板固定后踝骨折分析結(jié)果重建鋼板固定后踝骨折時(shí)，高應(yīng)力區(qū)集中于靠近腓骨一側(cè)的鋼板部分。重建鋼板固定時(shí)的整體應(yīng)力低于支撐鋼板，最大主應(yīng)力為221.3 MPa；用于固定重建鋼板的5 個(gè)螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力為61.9 MPa，應(yīng)力集中在螺釘釘與重建鋼板和脛骨連接處；2 枚內(nèi)踝空心螺釘中，位于上方的空心螺釘?shù)淖罡邞?yīng)力小于下方位置的空心螺釘，其最大應(yīng)力分別為1.4 和1.6 MPa。重建鋼板固定時(shí)的脛骨最大應(yīng)力為16.0 MPa（圖5A）。重建鋼板固定脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.323 mm，同樣由脛骨上關(guān)節(jié)面向內(nèi)踝關(guān)節(jié)面遞減分布（圖5B）。

圖5 重建鋼板固定后踝骨折模型的應(yīng)力及位移云圖Fig.5 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model after reconstruction with steel plate fixation

3 討論

HARAGUCHI 等［8］根據(jù)病理解剖學(xué)和踝關(guān)節(jié)CT 將后踝骨折分為三型，其中Ⅱ型為內(nèi)側(cè)延伸型，即骨折線自脛骨遠(yuǎn)端腓切跡延伸至內(nèi)踝，其中部分病例后踝骨塊分為后外和后內(nèi)兩部分。后踝不僅是踝關(guān)節(jié)的骨性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，還是下脛腓后韌帶和踝關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)囊的附著部位，后踝骨折會(huì)使兩者穩(wěn)定性遭到破壞，從而使踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率提高，影響踝關(guān)節(jié)功能［9-11］。目前臨床上HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的手術(shù)固定方法主要有鋼板和空心螺釘，但仍存在較多爭(zhēng)議。許多學(xué)者［12-15］通過臨床及相關(guān)生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，使用空心螺釘對(duì)后踝骨折進(jìn)行固定，具有明顯優(yōu)勢(shì)及穩(wěn)定性；而另一部分學(xué)者［16-20］研究發(fā)現(xiàn)，后踝骨折塊采用鋼板固定較螺釘固定更佳穩(wěn)定，更有助于恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。但以上研究對(duì)后踝骨折分型、骨折塊的大小、使用的固定材料、損傷情況各有不同，本研究以HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的不同固定材料為切入點(diǎn)，研究探討3 種不同固定材料的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

本研究模擬了HARAGUCHIⅡ型后踝骨折模型，分別采用3 枚空心螺釘、支撐鋼板及重建鋼板對(duì)同一模型進(jìn)行固定，以模型的相關(guān)應(yīng)力和位移作為評(píng)判指標(biāo)，確定3 種固定材料的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)空心螺釘固定的模型應(yīng)力集中于空心螺釘與骨折端接觸位置，而鋼板固定的模型應(yīng)力卻集中于靠近腓骨側(cè)的鋼板上，同時(shí)鋼板組應(yīng)力明顯高于螺釘固定組，但重建鋼板組低于支撐鋼板組，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)鋼板組固定鋼板的螺釘所受應(yīng)力也是重建鋼板組最??；螺釘及鋼板應(yīng)力大，就容易出現(xiàn)螺釘和鋼板疲勞，出現(xiàn)松動(dòng)或（和）斷裂的情況發(fā)生，從而導(dǎo)致固定失效。同時(shí)發(fā)現(xiàn)3 種固定模型中，脛骨所受的應(yīng)力是螺釘組最大，重建鋼板組最小。還發(fā)現(xiàn)在3 種不同材料固定的模型中，不同固定材料對(duì)內(nèi)踝固定的螺釘應(yīng)力也是不同的，表現(xiàn)為螺釘組內(nèi)踝螺釘所受應(yīng)力最大，而重建鋼板組內(nèi)踝螺釘所受應(yīng)力最小。因此，鋼板組整體應(yīng)力較螺釘組具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其不僅使自身的應(yīng)力相對(duì)分散，同時(shí)也使內(nèi)踝螺釘所受應(yīng)力減小，增加了內(nèi)踝螺釘?shù)姆€(wěn)定性；而重建鋼板組較支撐鋼板組具有應(yīng)力更小，穩(wěn)定性更好的性能。

模型位移情況可以反映固定材料的生物力學(xué)穩(wěn)定性，整體位移變化范圍越大，反映模型的生物力學(xué)穩(wěn)定性越差。本研究顯示螺釘組位移最大，鋼板組次之，重建鋼板位移較支撐鋼板變化更小，反映了重建鋼板的穩(wěn)定性最佳。重建鋼板的穩(wěn)定性最佳的原因可能因?yàn)橹亟ㄤ摪宄省癓”型，可能可以提供更好的三角固定有關(guān)，同時(shí)重建鋼板可以提供更大的接觸面，相當(dāng)于空心螺釘和支撐鋼板固定的組合，使后踝骨折塊更佳穩(wěn)定，故其各項(xiàng)性能優(yōu)于空心螺釘組和支撐鋼板組。

雖然三維有限元技術(shù)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬臨床手術(shù)技術(shù)，有較高的準(zhǔn)確性，但它畢竟是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬而成的一種相對(duì)理想化的模型，沒有考慮踝關(guān)節(jié)周圍的韌帶、軟組織等因素對(duì)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響；本研究為靜止研究，還有待循環(huán)加載條件進(jìn)一步驗(yàn)證；本研究沒有考慮其他后踝骨折分型、骨折塊的大小對(duì)內(nèi)固定材料的影響，后續(xù)可以根據(jù)骨折塊大小設(shè)定不同內(nèi)固定材料的牢固性。因此，本課題還需進(jìn)一步相關(guān)研究，以求得到更加可靠、全面的結(jié)論。

綜上所述，對(duì)于HARAGUCHIⅡ型后踝骨折，選擇后踝鋼板固定+內(nèi)踝空心螺釘?shù)墓潭ǚ绞剑哂忻黠@的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)；但重建鋼板固定后踝骨折較支撐鋼板的穩(wěn)定性更好，為一種固定后踝骨折的理想材料，對(duì)臨床具有一定的指導(dǎo)性。

【Author contributions】CHENG Bangjun performed the experiments and wrote the article. CHENG Bangjun and HUANG Yanfeng performed the experiments. HUANG Yanfeng revised the article. HUANG Yanfeng and LUO Yi designed the study and reviewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

【Conflict of interest】The authors declare no conflict of interest.