夹板外固定和钢板螺钉内固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折的有限元分析研究

周 杰 曾得明 黄 菲

1 广东省佛山市中医院 528000； 2 佛山市第四人民医院

跟骨是人体运动的重要支点，是运动损伤中较常见的病种，跟骨骨折的发生率占全身所有骨折的1%～2%，手术治疗方式是目前处理跟骨骨折的重要方法，得到了广大临床医生的普遍共识[1]。但由于跟骨的不规则结构、骨折类型多样，以及跟骨周围皮肤软组织容易缺血坏死及术后容易感染等因素，使得跟骨骨折手术治疗难度和术后风险大大增加[2]。近年来，非手术治疗在临床逐渐得到重视，非手术的优势是操作简单，方便易行，无创操作治疗，能够较好地减轻患者疼痛，控制肿胀和早期活动[3]。最近国内学者等用夹板外固定治疗跟骨骨折，取得了不错的临床效果。但目前尚未有比较钢板内固定和夹板外固定治疗跟骨骨折生物力学报道，本研究拟通过三维有限元分析来比较钢板内固定和夹板外固定治疗 SandersⅡ型跟骨骨折的生物力学的差异，为临床治疗方案提供生物力学理论决策依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选取1名健康男性志愿者进行研究，年龄33岁，身高171cm，体重65kg。与受试者签署知情同意书。

1.2 方法 通过选取该志愿者跟骨进行逐层扫描，扫描层间距为0.4mm，扫描长度约70cm，扫描范围包括胫骨平台上缘至足跟部,扫描数据全部以DICOM格式保存，扫描结果显示扫描范围内骨骼肌肉等生理结构全部正常，完全符合有限元研究所需选择的健康成年人标准，然后建立完整跟骨与典型 SandersⅡ型跟骨骨折的三维有限元模型, 对骨折模型分别模拟采用夹板外固定、钢板螺钉内固定。

1.3 建模方法

1.3.1 模型构建：将CT图像数据以DICOM格式全部导入Mimics17.0软件。然后通过阈值选择、图像分割、区域增长、平滑去噪等程序获得包括胫骨、腓骨、跟骨及踝关节周缘骨骼的几何模型以及小腿肌皮几何模型(图1)，然后将模型以点云形式输出，随后以逆向处理的方式将跟骨模型导入solidworks 2018中一获取骨模型与肌皮模型封闭的曲面。在此基础上，模拟SandersⅡ型跟骨骨折切割跟骨建立，骨折平面构建骨折模型，基于solidworks逆向重建功能构建跟骨钢板螺钉内固定系统以及夹板外固定系统的模型(图2)。

图1 基于CT原始图像数据重建包含踝关节及胫腓骨的小腿几何模型

图2 构建跟骨骨折模型及钢板螺钉系统

接着将上述构建的几何模型部件导入有限元软件 ABAQUS 6.14(达索系统集团, 美国)中，装配各部件后分别建立跟骨骨折夹板外固定模型和跟骨骨折钢板螺钉内固定模型，并进行网格划分。确定单元类型并结合相关文献报道对不同材料进行赋值(表1)[4-6]。采用四面体网格对各部件分配到相应的单元网格。同时结合相关文献对不同位置的外固定夹板及钢板螺钉进行赋值(表1)，用于模拟夹板外固定以及钢板螺钉内固定后的状态[7-8]。夹板固定模型单元数量为144 502个，节点数量为464 122个，钢板螺钉固定模型单元数量为175 821个，节点数量为512 451个。根据韧带结构的特性，参考杨鹏等[9]对关节韧带的有限元设定建立韧带Truss模型并匹配到相应的位置上。

表1 材料属性表

1.3.2 载荷工况设定：模拟人体站立位时下肢半负重受力状态，对足底肌皮所有单元xyz方向自由度约束为0，设置力的加载方式为垂直足底方向，同时将200N的力均匀地作用于胫骨平台表面。在钢板螺钉内固定模型中，设定钢板与跟骨外侧面呈捆绑约束关系，螺钉与宿主骨间呈面面接触关系，摩擦系数为0.6。夹板外固定模型中参照李永耀等[10]报道对内外侧夹板均匀施加30N载荷以此模拟绷带约束作用，其中载荷方向垂直于夹板表面(图3)。

图3 夹板有限元模型(上图)及载荷工况设定(下图)

1.4 软件数据处理 载荷工况设定完成后提交数据分析，记录分析跟骨骨折的峰值应力、后关节面平均应力及骨折端相对位移的情况。骨折端的位移是指在加载前后骨折间隙的变化情况。在跟骨骨折模型上，沿着骨折端的两端和中点, 选择16对相邻节点，通过计算16 对节点在加载前后的距离变化，进而反映骨折端移位。而后关节面应力主要是选择跟骨后关节面区域所有单元并计算其平均应力值大小。

2 结果

对于SandersⅡ型跟骨骨折的夹板外固定和钢板螺钉内固定模型，提交有限元分析结果并完成收敛。应力云图结果显示(图4，表2)，两组的骨折块应力峰值均在合理范围内, 表明两种固定方式均有效，维持了骨折后跟骨应力稳定传递。其中钢板螺钉组峰值应力为3.78MPa，大于夹板组的3.34MPa，同时应力云图中可观察到钢板组应力峰值出现在钉道附件与宿主骨交界的上方区域，而夹板组峰值应力位于后关节面区域，这是因为螺钉在维持骨块稳定的同时由于其弹性模量远高于正常骨，应力遮挡的作用在周围骨区域形成应力集中，而夹板固定中完全不存在此类现象，而主要表现为后关节面区域应力增高，这是正常的应力传递导致。虽然，后关节面区域平均应力夹板组高于钢板螺钉组，但二者差距并不大。在位移方面，两组模型位移云图有明显相似，都表现在内侧骨折块位移最为显著，其中夹板组位移峰值为0.025mm大于钢板螺钉组，但二者差距并不大。此外，数据显示夹板组骨折线附近相对位移为0.005mm要大于钢板螺钉组，这说明夹板或钢板螺钉固定均能维持骨块稳定，但夹板的作用要小于钢板螺钉，但数据显示其二者的差距并不明显。

图4 夹板外固定、钢板螺钉内固定有限元分析云图

表2 夹板外固定、钢板螺钉内固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折有限元分析的应力及位移情况

虽然钢板螺钉相对于夹板固定更为稳定，但由于螺钉植入其与宿主骨之间界面容易产生应力集中, 而导致局部应力增加。夹板固定同样能维持SandersⅡ型骨折的稳定，与螺钉固定在功效上差距并不明显，且由于夹板固定为无创治疗方法，无须切开植入内植入，因此在治疗SandersⅡ型骨折上有更明显的优势。

3 讨论

跟骨骨折作为创伤骨折的常见病种，由于其骨骼的不规则结构特性和骨折的复杂性，跟骨骨折依然中存在不确定性，寻找规范安全有效治疗模式，降低并发症发生，加速骨折愈合，提高跟骨功能康复仍是跟骨骨折治疗的热点[11]。近年来虽然微创技术的发展，由于跟骨骨折结构的特殊性，目前依旧没有办法在关节镜下进行多角度复位[12]。相比而言，非手术的优势是操作简单、方便易行、无创安全、并发症少且固定可靠等，加上在许多临床观察中其疗效并不比手术差，甚至更有优势，方法包括手法整复、小夹板或石膏外固定、绷带包扎固定、中医理筋手法、传统中医药、现代物理治疗等。但是非手术治疗缺乏规范系统的评价标准。本研究通过运用有限元软件，对骨折后内固定的生物力学进行分析，从而对中医传统技术进行深入研究。

在本研究中，笔者根据健康志愿者足部 CT扫描所获取的数据构建的跟骨骨折内固定三维有限模型形态逼真。其中应用软件制作的塑形钢板，可以与骨折曲面基本吻合，很好地反映了钢板的生物力学及外科手术的要求。笔者同时认为夹板除能对骨折区域具备很好地稳定维持作用，更是从中医整体观出发，将踝关节骨骼、肌腱、肌肉、皮下脂肪及皮肤作为一个完整的整体进行有效的弹性固定，既最大限度地减少了创伤，保证了良好的血运，又可以对骨折进行有效的外固定，既有利于早期功能训练又很好地保证了骨折的快速愈合。本研究中所建立的夹板外固定模型，除了内固定方式不同之外，其他对应条件基本一致，具有较好的可比性。从研究结果可以看出，夹板外固定模型结构强度与钢板螺钉内固定治疗的强度相当，夹板的等效应力小于钢板内固定材料，夹板外固定与钢板螺钉外固定的骨折移位相当，其中夹板外固定应力分布相对均匀; 而普通钢板固定应力相对集中，由于钢板内固定主要是依靠螺钉对钢板的垂直压力和钢板与骨骼接触时产生的摩擦力起作用。但钢板内固定作为侵入性治疗会造成跟骨面的骨膜和骨质破坏，而跟骨又以松质骨为主，术后容易出现关节面塌陷，进而影响跟骨的稳定性和骨折的临床愈合[13]。通过有限元模拟试验，钢板内固定与夹板固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折两者的生物力学稳定性都令人满意，而夹板外固定在临床上有着潜在的应用价值。本研究也从生物力学的角度为跟骨骨折的临床研究提供了理论参考。