跟骨的三维有限元模型研究及临床应用

张勇，阿良，张乐，季英楠

（沈阳医学院附属中心医院骨外二科，沈阳 110024）

跟骨的三维有限元模型研究及临床应用

张勇，阿良，张乐，季英楠

（沈阳医学院附属中心医院骨外二科，沈阳 110024）

目的建立跟骨三维有限元模型及内固定模型并进行受力分析。方法螺旋CT扫描1例体质量75 kg正常男性右侧跟骨，数据导入Mimics10.01软件建立完整跟骨三维有限元模型。应用ANSYS⁃R14.5三维有限元分析软件包对两种不同内固定后的跟骨有限元模型进行应力分布研究。结果跟骨三维有限元模型及内固定模型建立成功，受力分析表明，应力集中于跟骨后侧关节面及内置物。结论跟骨后关节面处内置物应力分布集中，临床工作中应重视后方关节面及跟骨结节的有效固定，植骨在力学角度是没有必要的。

跟骨骨折；三维有限元；植骨

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跟骨骨折约占全身骨折的2%，是最常见的跗骨骨折，占足部骨折的60%［1］。受伤机制多由高能量损伤引起，其中以坠落伤为主，绝大多数跟骨骨折波及跟骨后关节面即跟距关节，是一种严重而复杂的创伤，治疗困难，预后情况难测。本研究从生物力学角度对跟骨受伤机制及治疗进行研究，期待对临床工作起到辅助作用。

1　材料与方法

1.1建立跟骨三维有限元模型

选取1例正常男性志愿者，30岁，身高175 cm，体质量75 kg，无足跟痛及外伤史，X线片检查未见右足骨质异常。对志愿者右跟骨进行西门子256排螺旋CT扫描。将CT数据导入到Mimics10.01软件，建立跟骨三维有限元模型。

1.2建立内固定三维有限元模型

在试验中使用的内固定材料选取两种目前临床广泛应用的不规则型医用钛合金跟骨支撑锁定板与直型重建锁定板。通过生产厂家获得钛合金支撑板与直型重建板的基本数据。赋予钛合金板弹性模量（E=110 Gpa）和泊松比（V=0.34），建立模型。由于钉板结构复杂，在不影响研究结果的情况下对钉板模型进行简化，将螺钉设定为各向同性均质弹性体，根据螺钉直径将螺钉设置成直径3.5 cm的规则圆柱体，其弹性模量和泊松比与钛合金板相同。

1.3受力分析

将建立好的跟骨模型和钛合金板模型分别导入到SolidWorks里进行修整。根据本研究男性志愿者跟骨实际大小选择合适钛合金板，按照临床习惯，将钛合金板放置于跟骨模型的外侧。螺钉的方向垂直于钛板，长度达到跟骨内侧皮质。以ANSYS⁃R14.5三维有限元分析软件包对跟骨模型及内置物模型进行力学分析。根据QCT资料赋予模型中各种结构相应的材料参数，共有50种弹性模量，从25～10 000 MPa，泊松比为0.3。因跟骨后关节即距下关节为主要承重关节，因此本研究中至少满足跟骨后关节下方有2枚螺钉进行支撑。跟骨附着肌肉众多，在未负重情况下主要受力来源于跟腱牵拉力［2］，因此本研究模仿的受力模型假定跟骨结节为约束面，分别对跟骨中、后关节面进行施力，加载力量2 000 N。

2　结果

2.1跟骨有限元模型和内置物模型建立结果

通过Mimics10.01软件建立完整的跟骨及内置物三维有限元模型，其中跟骨模型共有82 682个节点，47 038块单元，模型正确性经过实体检验（图1）。将建好的跟骨模型和内置物模型导入到Solid⁃Works软件，得出跟骨及钛合金内置物组合模型（图2）。

图1　跟骨有限元模型Fig.1　Finite element model of the calcaneal

图2　跟骨及内置物组合模型Fig.2　Combined model of calcanus and implant

2.2受力分析结果

通过ANSYS⁃R14.5三维有限元分析软件包对跟骨模型及内置物模型进行力学分析，跟骨模型平均应力值不足1 MPa，最大应力值为79.47 MPa，分布于跟骨结节。不规则型内置物最大应力值为29.61 MPa，分布于跟骨结节处螺钉，直型内置物最大应力值为8.76 MPa，分布于最后侧螺钉。2种内置物与跟骨相比应力更为集中。见图3～6。

图3　 跟骨应力分布图Fig.3　Stress distribution of calcaneus

图4　不规则内置物应力分布图Fig.4　Stress distribution of irregular implant

图5　模型约束点及受力面图Fig.5　Model constraint and stress surface

图6　直型内置物应力分布图Fig.6　Stress distribution of vertical implant

3　讨论

跟骨骨折是最常见足踝部骨折，多由于垂直暴力引起。暴力发生时，力量通过上方覆盖的距骨传导，直接作用于跟骨上方关节面。而跟骨的上方关节面从解剖上可以分为前、中、后3个关节面，其中后关节面被跟骨沟与前、中关节面分开，面积最大，是主要的承重关节面。中关节面的载距突与前上方距骨的中关节面形成中关节；前关节面是由距骨的前方与跟骨前结节接触面形成，研究［3］表明部分人的前关节面退化。因此，跟骨的主要承重垂直暴力的关节面为中关节面与后关节面。目前对跟骨骨折采用外科手术治疗已经达成共识，手术方法包括切开复位内固定、撬拨复位螺钉内固定、微创距下关节下内固定等，根据不同骨折类型及临床情况采用不同手术方式及内固定方式临床效果参差不齐［4］。

跟骨的形态不规则，表面有许多隆起及沟槽，有许多血管神经及肌腱附着或通过，其中最为重要的是跟骨结节处的跟腱附着点，在不负重的情况下此处为跟骨的主要受力点，跟腱的向上牵拉力为主要受力。正常情况下跟骨体内骨小梁分配不均，跟骨后侧骨小梁分布呈三角形，日常生活中为主要承重部位。本研究中采用跟骨结节为约束点，排除了跟腱牵拉力对本研究的影响，模拟未负重情况下探讨跟骨关节面受力情况，可以更好地对跟骨及内固定模型进行受力分析。研究中分别对跟骨中、后关节面同时加力进行研究，从受力分析结果来看，当跟骨中后关节面受力时，应力集中于跟骨后侧关节面下及靠近跟骨结节处，这与正常跟骨骨小梁分布及实际受力情况一致，其中附加内置物后，后关节面下螺钉以及约束点跟骨结节处螺钉应力分配集中，说明跟骨外侧的内置物可以有效分担垂直应力。研究［5］表明后关节面的表面积约500 mm2，研究中加载到后关节面的应力可达2 000 N，超过人体体质量3倍，满足日常受力需求，实验条件设定高于同类研究［6］。临床上跟骨骨折多产生跟骨体后侧压缩骨折，后关节面下压缩尤为严重，后关节面复位后其下方会产生骨缺失，对距下关节复位的维持要求较高。本研究表明距下关节的螺钉及外侧的内置物钛板应力分布集中，因此在临床工作中应于后关节面下方尽可能植入与钛板一体化的（即锁定）螺钉，一方面可以起到支撑作用，另一方面也可以通过一体化有效将应力分散于外侧钛板甚至其他螺钉，减少应力过度集中。而后关节面下应尽可能多植入螺钉，以减少应力过度集中于1枚螺钉，并导致内固定物疲劳折断的可能。研究同时还表明应力亦集中于跟骨结节处，这与实验条件中将跟骨结节设为约束点有一定联系，但同时也表明，跟骨受力后跟骨结节区也是应力集中区域，因此在处理跟骨骨折时，跟骨结节区的处理及有效固定尤为重要。从外踝下方微创切口，直接显露距下关节并采用直型重建板固定是近些年临床采用的微创治疗跟骨骨折方法［7］，本研究对此种固定方式进行了力学分析。结果显示，大量应力集中于直型重建板的后方几枚螺钉，表明该方法在有效缓解跟骨后关节面应力的同时，内置物承受巨大应力，早期负重或在骨折未愈合前负重存在内置物过度疲劳风险，这是临床工作应该注意的地方。关于跟骨手术时是否应该植骨的讨论仍是跟骨治疗的热点问题之一［8⁃9］。本研究通过受力分析表明，由于跟骨多数为松质骨，跟骨体的受力分布相对均匀，并没有发生应力过度集中的情况。无论进行何种内固定，后关节面下的固定螺钉均承担了较多的应力。因此认为如果内固定确切，可以较好支撑后关节面骨块的情况下，植骨在力学角度是没有必要的。当然本研究仅限于力学分析角度，并没有从后期的愈合情况进行分析。在存在严重骨缺损的情况下远期是否会因此产生内置物周围复位丢失，从而引起固定失败也是存在可能的。

综上所述，本研究采用三维有限元模型对跟骨骨折内固定方式进行分析是理想化基础上的尝试。设定的条件包括骨折解剖复位、固定足够确切并受力时无移位出现。这与临床实际相比过于理想化，因此想要获得更为精确分析内固定对跟骨应力分布影响以及固定的确实度有待于大量的实体化生物力学研究。但不可否认，随着有限元模型的不断完善以及计算软硬件的不断发展，运用三维有限元方法配合临床骨科研究必将会拥有更为美好的前景。

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（编辑武玉欣）

Three Dimensional Finite Element Model of Calcaneus and Its Clinical Application

ZHANG Yong，A Liang，ZHANG Le，JI Yingnan
（Department of Orthopedics，The Affiliated Hospital of Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China）

ObjectiveTo establish the three⁃dimensional finite element model and internal fixation model of calcaneus，so as to analyze the stress.MethodsThe right calcaneus of a normal male subjects，with a body weight of 75 kg，was scanned using spiral CT.A complete three⁃di⁃mensional finite element model of calcaneus was established by the mimics10.01 software.The stress distribution of two different kinds of internal fixation after the finite element model was studied using ANSYS⁃R14.5 3D finite element analysis software package.ResultsThe three dimen⁃sional finite element model and internal fixation model were established successfully，and the stress analysis showed that the stress concentration in the posterior articular surface and the internal fixation.ConclusionThe stress distribution of the implant is concentrated in the posterior articular surface of the calcaneal，and the clinical stuff should pay more attention to the effective fixation of the posterior articular surface and the calcaneal bone.There is no need for bone grafting in mechanics.

calcaneal fractures；three⁃dimensional finite element；bone graft

R683.42

B

0258-4646（2016）11-1022-04

10.12007/j.issn.0258⁃4646.2016.11.015

沈阳医学院科技基金（20132026）

张勇（1978-），男，主治医师，博士. E-mail：zyhuozy@sina.com

2016-05-19

网络出版时间：