跟骨骨折的有限元分析.pdf

1、背景：
　　 跟骨是足內(nèi)、外側(cè)縱弓的共同后壁和足外側(cè)柱的重要后部。其上部具有前、中、后三個(gè)關(guān)節(jié)面，與距骨構(gòu)成距下關(guān)節(jié)復(fù)合體，維持距下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和力學(xué)的穩(wěn)定。其后關(guān)節(jié)面的面積最大，承受大部分體重。距下關(guān)節(jié)是聯(lián)系中后足和踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，中跗關(guān)節(jié)的正常活動(dòng)需要距下關(guān)節(jié)的配合。跟骨的正常形態(tài)既是保證中后足關(guān)節(jié)正常對(duì)位，維持足弓形態(tài)及穩(wěn)定的重要條件，又是保證跨踝關(guān)節(jié)的小腿肌肉正常發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。
　　 跟骨骨折是最常見(jiàn)的跗骨骨

2、折，占跗骨骨折的60％，占全身骨折的2％，約75％為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，20％～45％伴有跟骰關(guān)節(jié)損傷。因跟骨及周?chē)馄式Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部軟組織覆蓋質(zhì)量差，故治療困難，且后遺癥多，預(yù)后較差。近20年來(lái)，隨著抗生素、影像技術(shù)、內(nèi)固定和微創(chuàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及對(duì)后足部生物力學(xué)及跟骨骨折認(rèn)識(shí)的深入，其臨床療效不斷提高。目前，治療跟骨骨折的方法很多，各有其適應(yīng)證和優(yōu)、缺點(diǎn)，臨床上應(yīng)根據(jù)患者的損傷程度、骨折類(lèi)型、全身及局部情況和科室的技術(shù)條件選擇合理有效的治

3、療方法。
　　 跟骨骨折導(dǎo)致跟骨長(zhǎng)度縮短、寬度增加、高度降低，距下關(guān)節(jié)不平整，跟骨軸側(cè)向成角，跟骨結(jié)節(jié)關(guān)節(jié)角(Bohler角)減小、消失或反角，Gissane角縮小或增大，距骨傾斜角縮小和消失。這將造成足弓塌陷，影響足的整體外形和力學(xué)穩(wěn)定，并可形成創(chuàng)傷性扁平足。跟骨三個(gè)關(guān)節(jié)面之間正常關(guān)系的喪失、關(guān)節(jié)面的不平整和移位必將引起距下關(guān)節(jié)受力和運(yùn)動(dòng)的改變，造成距下關(guān)節(jié)及其周?chē)P(guān)節(jié)的繼發(fā)性損傷，如創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等。跟骰關(guān)節(jié)面骨折將嚴(yán)重影響中

4、跗關(guān)節(jié)的正常運(yùn)動(dòng)功能和距下關(guān)節(jié)的外翻活動(dòng)，造成的跟骰關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，影響足的正常行走。嚴(yán)重距下關(guān)節(jié)面破壞和軟骨缺損者可發(fā)生自發(fā)性關(guān)節(jié)融合，喪失活動(dòng)功能。后足外翻、跟骨增寬短縮、高度降低和外側(cè)壁外膨不僅造成穿鞋困難，而且造成腓骨長(zhǎng)、短肌腱卡壓。另外，下降的外踝直接接觸或碰撞跟骨外側(cè)壁可出現(xiàn)跟腓撞擊征，長(zhǎng)期可形成假關(guān)節(jié)。跟腱止點(diǎn)上移，導(dǎo)致腓腸肌和比目魚(yú)肌的肌力減弱。后足力線(xiàn)的改變可使小腿肌肉的拉力方向、力矩和肌力發(fā)生改變，最終發(fā)生足踝部疼

5、痛和功能障礙。此外，足踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)力線(xiàn)異常和雙側(cè)肢體不等長(zhǎng)，將影響整個(gè)下肢和脊柱的正常功能，過(guò)早發(fā)生腰背痛和頸肩痛。因此，治療跟骨骨折的目的是恢復(fù)后足的正常生物力學(xué)特點(diǎn)和功能，避免造成各種不良后果。
　　 隨著數(shù)字仿真建模技術(shù)及有限元法的發(fā)展，數(shù)字虛擬逐漸應(yīng)用到臨床診斷、治療及實(shí)驗(yàn)研究。與以往的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，有限元方法是一種非常有用的數(shù)值計(jì)算工具，可以用幾何及數(shù)字非線(xiàn)性進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分析?？梢酝瓿善渌芯糠椒ㄋ?/p>

6、能實(shí)現(xiàn)的加載方式及約束條件，標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。有限元模型也可以提供實(shí)驗(yàn)不能得到的正常生理信息，得到客觀實(shí)體實(shí)驗(yàn)所難以得到的研究結(jié)果?？梢酝ㄟ^(guò)改變載荷加載方式、改變材料特性等方法進(jìn)行個(gè)體化受力分析。
　　 由于跟骨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、運(yùn)動(dòng)的多樣性、個(gè)體的差異性，迄今為止，跟骨生物力學(xué)研究中尚無(wú)一個(gè)可以完全模擬生理狀態(tài)的有限元模型。生理狀況下，跟骨的結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上依賴(lài)于其所處的力學(xué)環(huán)境。本研究利用CT數(shù)據(jù)，建立

7、合理的跟骨數(shù)字仿真及三維有限元模型，研究跟骨及周?chē)Y(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性，對(duì)跟骨的高度改變、Bohler角度改變及兩種內(nèi)固定固定SandersⅣ型骨折的力學(xué)固定特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，以期為足踝外科領(lǐng)域生物力學(xué)研究提供新的手段。
　　 目的：
　　 1.利用數(shù)字化技術(shù)，建立跟骨及周?chē)Y(jié)構(gòu)的數(shù)字虛擬仿真模型，探討數(shù)字仿真醫(yī)學(xué)建模的方法及意義;
　　 2.建立正常步態(tài)下跟骨及周?chē)Y(jié)構(gòu)的三維有限元模型，分析正常步態(tài)下跟骨生物力學(xué)

8、變化;
　　 3.研究單足站立狀態(tài)下，跟骨Bohler角度減少5°、10°、15°、20°、25°時(shí)距下關(guān)節(jié)、距骨、跟骰關(guān)節(jié)、足底的應(yīng)力分布變化，分析保守治療跟骨關(guān)節(jié)外骨折時(shí)Bolher角需要恢復(fù)的角度。
　　 4.研究單足站立狀態(tài)下，跟骨高度減少5mm、10mm、15mm、20 mm時(shí)距下關(guān)節(jié)、距骨、跟骰關(guān)節(jié)、足底的應(yīng)力分布變化，分析術(shù)中需要恢復(fù)跟骨的高度。
　　 5.對(duì)跟骨鎖定鋼板和解剖型鋼板治療Sander

9、sⅣ型跟骨骨折時(shí)距下關(guān)節(jié)、距骨、跟骨骨折塊、跟骰關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布及位移進(jìn)行綜合比較分析，以得出SandersⅣ型跟骨骨折的治療方案并推斷出內(nèi)固定的合理改進(jìn)方向。
　　 方法：
　　 1.數(shù)字化足踝部三維有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證:采用南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院影像中心的LightSpeed16排螺旋CT，掃描參數(shù):電壓120～140 KV，電流強(qiáng)度240～300 mA，螺距1.375～1.75，層厚7.5 mm，矩陣512×512，

10、重建層厚0.625 mm。對(duì)志愿者右足自踝關(guān)節(jié)上20 cm脛腓骨遠(yuǎn)端向下掃描至足底，掃描時(shí)右足保持中立位，以DICOM格式輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Mimics10.01軟件，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后三維重建出完整足踝部的28塊骨骼及外圍軟組織的三維結(jié)構(gòu)，再以點(diǎn)云輸出并導(dǎo)入SolidWorks2009，利用網(wǎng)格處理向?qū)Ъ扒嫔上驅(qū)蓭缀文Ｐ筒⒅亟ㄑb配體，然后分別導(dǎo)入兩種有限元分析軟件:(1)方法一為導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS12.0的Work

11、bench模塊建立完整的足踝部有限元模型。在踝關(guān)節(jié)的接觸面兩側(cè)根據(jù)關(guān)節(jié)間隙分別建立了0.5 mm關(guān)節(jié)軟骨，其他關(guān)節(jié)采用僅受壓的三維桿單元模擬軟骨，并建立了125條彈簧模擬韌帶和小腿骨間膜，5條梁?jiǎn)卧M跖筋膜，材料屬性分別參照文獻(xiàn)確定。然后參照Anderson等方法，對(duì)模型僅取脛骨及距骨所構(gòu)成的簡(jiǎn)單踝關(guān)節(jié)模型加以測(cè)試。通過(guò)模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學(xué)傳遞，對(duì)模型脛骨下端的上截面施加700 N垂直載荷，對(duì)距骨予以約束。測(cè)量踝關(guān)節(jié)脛骨下關(guān)節(jié)

12、面的接觸壓力、接觸面積，并將結(jié)果與前者進(jìn)行對(duì)照。(2)方法二為導(dǎo)入Simulation建立簡(jiǎn)化的踝關(guān)節(jié)有限元模型。根據(jù)研究需要，分別建立了包含脛骨、腓骨、距骨、跟骨及舟骨的5骨裝配體，以及還包括骰骨及3塊楔骨的9骨裝配體的有限元模型。在模型中用“僅延伸”的彈簧模擬韌帶連接，其中在踝關(guān)節(jié)5骨裝配體中共建立了31條彈簧，而在9骨裝配體中建立了42條彈簧模擬踝關(guān)節(jié)周?chē)g帶及小腿骨間膜等連接裝置。定義各組織的材料屬性，并通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)方法在各關(guān)

13、節(jié)間生成接觸對(duì)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件分別在踝關(guān)節(jié)5骨裝配體有限元模型上模擬人體單足站立及踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外旋運(yùn)動(dòng)加載，而在踝關(guān)節(jié)9骨裝配體有限元模型上模擬踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻運(yùn)動(dòng)加載，然后設(shè)置好網(wǎng)格劃分密度生成網(wǎng)格并設(shè)置算例屬性進(jìn)行運(yùn)算。
　　 2.在不改變距下關(guān)節(jié)面的條件下將Bohler角的角度逐漸減少5度、10度、15度、20度、25度，并分別進(jìn)行楔形截骨，最終生成6種有限元模型。假設(shè)為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.3。將跟

14、骨、足部負(fù)重區(qū)三維有限元模型下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為零作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。于脛骨端予以模型700 N軸向應(yīng)力，計(jì)算此應(yīng)力下模型的應(yīng)力分布及位移分布。
　　 3.在不改變距下關(guān)節(jié)面的條件下將跟骨高度逐漸減少5 mm、10 mm、15mm、20 mm、并分別進(jìn)行楔形截骨。最終生成5種有限元模型。假設(shè)為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.3。將跟骨、足部負(fù)重區(qū)三維有限元模型下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由

15、度約束為零作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。于脛骨端予以模型700 N軸向應(yīng)力，計(jì)算此應(yīng)力下模型的應(yīng)力分布及位移分布。
　　 4.根據(jù)SandersⅣ型骨折對(duì)跟骨進(jìn)行截骨，保持關(guān)節(jié)面的平整及各骨折塊摩擦關(guān)系。同時(shí)根據(jù)跟骨解剖型和鎖定鋼板形態(tài)重建出兩種骨折內(nèi)固定有限元模型。假設(shè)為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.3。解剖型鋼板設(shè)置為摩擦接觸，鎖定鋼板則設(shè)置為不接觸，將跟骨、足部負(fù)重區(qū)三維有限元模型下緣

16、全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為零作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。普通加壓鋼板設(shè)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。計(jì)算該狀態(tài)下跟骨與鋼板的應(yīng)力分布、位移。
　　 結(jié)果：
　　 1.在按方法一所建的完整的足踝部有限元模型中，將脛、距骨組成的踝關(guān)節(jié)測(cè)試結(jié)果與Anderson等實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照后發(fā)現(xiàn)，二者在中立位踝關(guān)節(jié)垂直加載下應(yīng)力主要分布于脛骨下關(guān)節(jié)面中部及前外側(cè)，最大應(yīng)力處于2.7 M

17、Pa～4.0 MPa之間，在分布區(qū)域和分布趨勢(shì)、數(shù)值大小上基本一致，初步證明本模型是有效的。按方法二所建立的簡(jiǎn)化的兩個(gè)踝關(guān)節(jié)三維有限元模型經(jīng)測(cè)試可以模擬踝關(guān)節(jié)的不同受力情況，并可進(jìn)行正確的加載運(yùn)算，而且單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算時(shí)間適中。各種加載后所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移的結(jié)果合理，比較貼近真實(shí)狀況。將結(jié)果與Liacouras和Wayne在相同邊界條件下所作的踝關(guān)節(jié)外旋模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本模型在踝關(guān)節(jié)外旋加載中脛骨的旋轉(zhuǎn)角度為3.85°，

18、與其有限元模型計(jì)算的4.28°比較接近，另外本模型的主要關(guān)節(jié)的接觸力大小也與其結(jié)果對(duì)應(yīng)性較好，證明了本模型的有效性。
　　 2.當(dāng)跟骨的Bohler角分別減少5°、10°、15°、20°、25°時(shí)，距下關(guān)節(jié)面的應(yīng)力峰值分別增加了11.3％、12％、18.5％、19.8％、32.1％;距骨應(yīng)力峰值分別增加3％、12.6％、27.6％、54％、70.6％;跟骰關(guān)節(jié)面應(yīng)力隨著B(niǎo)ohler角減少而不斷減小，應(yīng)力峰值分別減少2.3％、4.

19、7％、15.4％、20.3％、20.4％;足底應(yīng)力集中于跟骨底部，應(yīng)力峰值值分別增大11.3％、11.6％、18.6％、19.8％、32.1％。
　　 3.跟骨高度分別減少5mm、10mm、15mm、20 mm時(shí)，距下關(guān)節(jié)面的應(yīng)力峰值分別增加了10.3％、18.5％、35.4％、54.7％;距骨側(cè)的應(yīng)力峰值分別增加了最大應(yīng)力值分別增加8.9％、9.8％、16.1％、16.7％;跟骰關(guān)節(jié)面應(yīng)力隨著跟骨高度減少而不斷減小，應(yīng)力峰值分

20、別減少2.3％、4.4％、22.4％、67.4％、80.1％;足底應(yīng)力主要集中于足跟處，應(yīng)力峰值分別增大10.2％、18.4％、35.4％、54.7％。
　　 4.使用鎖定鋼板固定后最大應(yīng)力集中于鋼板螺釘交界處，應(yīng)力峰值為143.49 MPa，上排螺釘中部、鋼板中后部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;解剖型鋼板應(yīng)力分布相對(duì)均勻，螺釘應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力位于鋼板中后部，應(yīng)力峰值為102.49MPa;距骨及跟骨各骨折塊的應(yīng)力峰值均為鎖定鋼板大于解

21、剖型鋼板。兩種鋼板內(nèi)固定模型主要位移均分布于近關(guān)節(jié)面的螺釘處，其中鎖定鋼板的位移小于解剖型鋼板模型，分別為0.222 mm，0.389 mm;鎖定鋼板固定的骨折塊位移峰值均小于解剖型鋼板。
　　 結(jié)論：
　　 1.基于CT掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics、Geomagic Studio、UG軟件，建立距骨及周?chē)趋赖娜S數(shù)字仿真模型，這種方法可行、有效，建模速度較快，且對(duì)人體無(wú)損害。所建模型包含大量信息量，具有和實(shí)體相似的幾何

22、形狀，能夠較真實(shí)模擬原模型。
　　 2.三維有限元法是生物力學(xué)研究的一種理論方法，可以模擬各種結(jié)構(gòu)的幾何模型，賦予各種組織的生物材料屬性，能很好的反映其生物力學(xué)特性的總體趨勢(shì)，因而可以作為標(biāo)本實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究方法很好的補(bǔ)充。本研究利用人體足踝部CT數(shù)據(jù)，借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Ansys等軟件，建立了距骨及周?chē)Y(jié)構(gòu)的有限元模型與正常人體具有良好的幾何相似性。本模型與目前文獻(xiàn)報(bào)道的同類(lèi)

23、研究模型相比，網(wǎng)格劃分均勻，單元質(zhì)量較高，因此，分析結(jié)果更加精確。同時(shí)，由于數(shù)字模型可拆分的特點(diǎn)，應(yīng)用具有極大的靈活性，在研究對(duì)象的選擇上，可對(duì)足踝部諸骨獨(dú)立研究，進(jìn)一步擴(kuò)大了本模型的應(yīng)用范圍。除此之外，作為整體，通過(guò)與解剖結(jié)構(gòu)、病理生理、臨床研究等多方面生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比，證明本模型具有良好的物理相似性，更能夠準(zhǔn)確和完整地模擬跟骨的解剖結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，有利于對(duì)跟骨進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　 3.Bohler角改變對(duì)距

24、下關(guān)節(jié)、跟骰關(guān)節(jié)、足底的應(yīng)力影響較小，而對(duì)脛距關(guān)節(jié)的影響較大，術(shù)中需要根據(jù)骨折情況盡量恢復(fù)患者的Bohler角，對(duì)于Bohler角減小10°以?xún)?nèi)的骨折，如無(wú)其他手術(shù)指征可選擇保守治療;跟骨高度的改變對(duì)距下關(guān)節(jié)、跟骰關(guān)節(jié)及足底的應(yīng)力改變較大，而對(duì)脛距關(guān)節(jié)影響較小，術(shù)中需要將跟骨高度的改變控制在15mm之內(nèi)，避免遠(yuǎn)期關(guān)節(jié)功能的影響。
　　 4.切開(kāi)復(fù)位鋼板內(nèi)固定治療粉碎性跟骨骨折，尤其對(duì)于SandersⅣ型骨折，維持關(guān)節(jié)面平整非常重

25、要。鎖定鋼板對(duì)于維持關(guān)節(jié)面的平整略顯優(yōu)勢(shì)，而解剖型加壓鋼板能夠分散骨折端的應(yīng)力，鋼板與骨塊間的摩擦力作用也能起一定代償作用。且在所有骨塊中，載距突產(chǎn)生位移最大，因此跟骨鋼板的設(shè)計(jì)需要對(duì)載距突部分進(jìn)行重點(diǎn)固定。結(jié)合橈骨遠(yuǎn)端骨折、脛骨平臺(tái)骨折治療理論，對(duì)于跟骨骨折的鋼板可以設(shè)計(jì)為，兩枚鎖定螺釘固定于載距突，跟骨上排螺釘采用鎖定螺釘與加壓螺釘間斷排列，平行于關(guān)節(jié)面打入;足底部位以?xún)擅舵i定螺釘固定前后兩端，其余部分均采用普通松質(zhì)骨螺釘固定。此鋼