新型跟骨外固定支架治疗Sanders ⅢAB型跟骨骨折的有限元分析

唐果 江民波 王德国 李洋

跟骨骨折是常见的跗骨骨折，涉及关节内的跟骨骨折比例达到了75%[1]。切开复位内固定手术是跟骨骨折的常用治疗手段，能够提供坚强的固定。但存在手术时机难以把握、术后切口感染、皮缘坏死、二次取出等问题[2-3]。既往文献报道认为，单纯外固定支架无法提供坚强固定，有骨折复位丢失的风险，所以外固定支架仅作为术前临时牵引使用[4]。近年来，有学者提出采用外固定支架来治疗跟骨骨折，结果显示其治疗效果与传统内固定相当，但力学稳定性仍存在争议[5-6]。由于跟骨Sanders Ⅳ型骨折较为复杂，常需要切开进行骨折复位，再予以钢板内固定，而在跟骨Sanders Ⅲ型骨折分型中，Sanders ⅢAB型是较为常见的类型[1]。基于此，为探究外固定支架治疗是否适用于Sanders Ⅲ型骨折，本研究设计出一种新型外固定支架，采用限元分析方法建立跟骨Sanders ⅢAB型骨折及两种固定治疗模型，比较两种固定方式的应力分布规律及分析其力学稳定性情况。

1 材料与方法

1.1 主要设备

计算机配置型号：Ⅰntel（R）Core（TM）i7-45U，CPU 2.60 GHz，安装内存（RAM）：8 G，硬盘：500 G；CT型号：16排多层螺旋CT（德国Siemens公司）；软件：Mimics 15.0（比利时Materialise公司），Ansys 12.0（美国Ansys公司），Abaqus 6.10（法国Dassault Systemes公司），Geomagic Studio 2012（美国Geomagic公司），Solidworks 2021（法国Dassault Systemes公司）。

1.2 新型外固定支架的特点及使用

新型外固定支架主要由上臂、下臂、延长下臂、可调节固定器、滑槽、克氏针孔组成，各组件材质主要为金属合金（设计图见图1，实物图见图2）。

图1 新型外固定支架设计图

图2 新型外固定支架实物图

1.3 研究对象

选取正常成年男性志愿者，年龄30岁，身高175 cm，体重75 kg，该志愿者无足踝部外伤史。行跟骨、足、踝关节正、侧位X线摄片及踝关节CT扫描排除足踝部病变，签署知情同意书并保存其影像学资料，伦理审查已通过（SQ044）。

对该志愿者进行CT扫描，扫描条件为：扫描厚度0.625 mm，矩阵大小为 512×512，扫描范围包括双侧足底至踝关节上15 cm，共获得扫描图像数据65层，扫描数据以Dicom格式保存，扫描结果显示：扫描范围内的各骨骼、肌肉等结构正常、完整。

1.4 Sanders ⅢAB型骨折固定模型建立

在Mimics 15.0软件中输入已保存的扫描数据图像，灰度阈值进行划分后，获得完整的踝关节及足部骨形态，调整参数得到完整的跟骨三维模型。在Geomagic Studio 2012软件中导入已获取的三维模型，完成曲率、删除格点、孔填塞后处理，然后通过网格划分、曲面拟合等操作，得到NURBS曲面。按照Sanders ⅢAB型骨折分型，经分割、截骨，构建得到Sanders ⅢAB型骨折模型。采用Solidworks 2021绘制固定器模型，忽略克氏针形态，固定针设定为直径3.5 mm的圆柱体。装配后，得到跟骨外固定支架及钢板治疗Sanders ⅢAB型骨折的固定模型（见图3）。

图3 Sanders ⅢAB型骨折固定模型：A. 外固定模型图；B. 钢板模型图

1.5 加载与设定

在分析软件Ansys 6.10中导入已构建的两种固定方式的跟骨骨折模型，通过设定并划定单元网格，对材料设定参数属性，在模型中，将涉及的组织材料简化为均质弹性材料，并设置泊松比和弹性模量。结合参考文献，模型建立了重要的关节韧带，来模拟韧带连接情况，并根据文献设定骨折线、外固定架、皮质骨和松质骨的材料参数（见表1）[7-9]。

表1 材料参数

在Abaqus 6.10软件中导入模型，依据Surendran、Cheung等[10-11]设定并进行力学加载，研究中笔者设定跟骨与地面接触的最低点为约束点，在骰跟骨结节处自下向上加载300 N，在跟骨中距关节面处自上向下加载200 N，在后关节面处自上向下加载420 N（见图4）。

图4 力学加载模型：A. 外固定模型图；B. 钢板模型图

2 结果

2.1 模型验证

应力分布图（见图5）提示应力集中区范围在距下关节和跟骨内侧，应力分布特点符合跟骨的机械应力机制，认为该模型力学加载方法符合人体跟骨的实际应力特性。

图5 模型应力验证：A. 单一跟骨力学加载后应力图（侧面观）；B. 单一跟骨力学加载后应力图（底面观）

2.2 位移分析

模型载荷加载后，得到了两种固定模型的位移分布（见图6）。

图6 跟骨骨折模型位移分布：A. 外固定模型跟骨总体位移分布图；B. 外固定位移分布图；C. 钢板模型跟骨总体位移分布图；D. 钢板位移分布图

外固定模型中的总体位移峰值为0.27 mm，外支架位移峰值为0.17 mm；跟骨骨块位移峰值为0.27 mm。外侧骨折位移峰值为0.17mm；中间骨折位移峰值为0.18 mm；内侧骨折位移峰值为0.27 mm，相对位移峰值为0.10 mm，均小于1 mm。

钢板模型中的总体位移峰值为0.26 mm，钢板及螺钉位移峰值为0.13 mm；跟骨骨块位移峰值为0.26 mm。外侧骨折位移峰值为0.15 mm；中间骨折位移峰值为0.15 mm；内侧骨折位移峰值为0.26 mm，相对位移为0.11 mm，均小于1 mm。

两组模型的骨折位移在内侧载距突位置较为明显，自内向外、自上向下递减，位移低值出现在跟骨前部。

2.3 Von Mises应力测量

模型载荷加载后，得到了两种固定模型的应力分布（见图7）。

图7 跟骨骨折模型应力分布：A. 外固定模型外侧骨块应力分布图；B. 外固定应力分布图；C. 钢板模型外侧骨块应力分布图；D. 钢板应力分布图

外固定模型中的总体应力峰值为125.40 MPa，外固定及固定针应力峰值为125.40 MPa，跟骨骨块应力峰值为38.13 MPa。外侧骨折应力峰值为29.94 MPa，中间骨折应力峰值为38.13 MPa，内侧骨折应力峰值为25.50 MPa。

钢板模型中的总体应力峰值为297.40 MPa，钢板及螺钉应力峰值为281.10 MPa，跟骨骨块应力峰值为297.40 MPa。外侧骨折应力峰值为297.40 MPa，中间骨折应力峰值为38.25 MPa，内侧骨折应力峰值为14.10 MPa。

有所不同的是，钢板模型的应力分布自外侧骨块向内侧骨块递减，应力峰值集中在螺钉置入的骨块上。外固定模型中，距下关节面应力达到峰值，而固定在跟骨前部的克氏针应力较为集中，均小于器械屈服强度。

3 讨论

跟骨解剖结构复杂，由多个关节面和韧带共同维持。跟骨骨折多由于高处坠落及直接暴力等高能量损伤造成，其骨折线多不规则，粉碎骨块较多，且常常涉及相对应关节面[12]。

目前，跟骨骨折的治疗目的得到一致认同：尽可能地恢复跟骨的高度及宽度；纠正跟骨内外翻，恢复足部及踝关节的力线和解剖关系；固定牢靠，避免复位丢失[13]。沈超等[14]报道了采用跟骨髓内微创稳定系统治疗跟骨骨折，结果显示该系统能避免软组织广泛剥离，采用微创的操作方式，安全性高，减少了软组织皮肤并发症的发生，内固定框架结构稳定，有效防止跟骨复位的丢失。而外固定支架对皮肤损伤小，不受手术时机的限制，无需二次切开取出，是目前在跟骨骨折微创治疗上的一种新的尝试。文献报道了应用外固定架联合有限内固定治疗多名跟骨骨折患者，结果显示，该方法可以有效恢复跟骨Böhler角、Gissane角，在随访过程中，骨折复位无丢失[15-17]。对比传统的切开复位内固定术，在手术时间、术后并发症发生率方面均有优势[5]。

本研究中，运用一种新型外固定支架治疗Sanders ⅢAB型跟骨骨折，该支架设计固定在跟骨外侧，通过多枚克氏针固定，固定位置在皮质完整且坚固的跟骨结节、丘部、跟骨前部。克氏针自跟骨外侧丘部下方进针，固定在对侧载距突位置，对易塌陷的关节面进行有效支撑。而高能量往往导致跟骨骨折块移位明显，且不同个体存在差异，该支架设计可调节系统。可调节固定器可以调节克氏针的进针位置及角度，以准确固定在对侧载距突上，获得充足的把持力。下臂设计可横向伸缩，当跟骨前部骨折粉碎，无法有效把持时，可伸展下臂将克氏针固定在足舟骨；当跟骨体部出现分离，该支架可收缩，以加压固定，使骨折断端更加稳定。

应用软件建立Sanders ⅢAB型跟骨骨折固定模型，力学加载后，结果显示：应力分布特点符合跟骨的机械应力机制，认为该模型符合人体跟骨的实际应力特性，与郭宗慧[18]团队的结果相近。位移结果对比显示：两组模型的骨折位移在内侧载距突位置较为明显，自内向外、自上向下递减，位移低值出现在跟骨前部。两种固定方式在治疗Sanders ⅢAB型跟骨骨折时，外固定模型中的骨块位移峰值（0.27 mm）稍稍大于钢板模型中的骨块位移峰值（0.26 mm），分析认为外固定支架仅在骨密集处对骨折断端进行了固定，在稳定性上有所欠缺，但两种模型中的骨块位移峰值均小于1 mm，不影响愈后应力分布[19]。应力测试结果显示：钢板模型应力峰值为297.40 MPa，集中在螺钉置入的骨块上，应力分布自外侧骨块向内侧骨块递减，结果与何凯等[20]的研究结果相一致。钢板模型中骨折块及固定物存在应力集中现象，这种应力集中可能与锁定钢板与骨面紧密贴合、局部固定强度较大有关，继而出现固定失效，骨形变的情况。值得注意的是，在实际骨折愈合过程中，患肢处于制动非负重状态，并非模型中的负重极限值，因此，模型中的应力值可能远远大于实际应力值。外固定模型中的总体应力峰值为125.40 MPa，跟骨骨块应力峰值为38.13 MPa，应力集中在距下关节面处，而固定器械的应力集中在跟骨前部处置入的固定针上，应力值均小于其屈服强度。外固定模型中部分克氏针处存在应力集中，在理想范围之内，提示外固定支架可为Sanders ⅢAB型骨折提供足够的生物力学稳定性。在本研究中，模型中的各骨块应力分布合理，跟骨相邻关节面处的应力较其他处稍高，可能对关节面软骨产生压应力，存在关节炎的风险。若出现骨块数量较多、涉及关节面，单纯闭合外固定可能无法有效复位及固定，此时可以有限切开，辅助骨折复位及固定[21]。

总体来说，本研究中外固定支架在治疗跟骨Sanders ⅢAB型骨折时，应力分布合理，生物力学稳定，不存在复位丢失的风险。在治疗过程中，相比切开复位钢板内固定术，无需广泛剥离，不受手术时机限制，避免了皮肤感染等并发症的发生。同时外固定支架体积小，无跨关节固定，利于患肢早期功能锻炼，为跟骨骨折的治疗提供了新思路。