Haraguchi Ⅱ型后踝骨折3种内固定方式的有限元分析

程邦君 黄燕峰 罗轶

上海市第六人民医院金山分院骨科 （上海 201599）

后踝骨折多由旋转或（和）垂直暴力导致，单独发生少见，多数同时伴有内外踝骨折和（或）踝关节韧带受损，以往未引起足够重视，近年来随着三维CT 扫描技术的发展，后踝骨折逐渐被临床医师所关注。目前后踝骨折临床研究报道较多，对于内固定方式的选择临床多倾向于空心螺钉或钢板，但对于临床各种固定材料在有限元生物力学方面的稳定性报道较少［1-4］。经医学伦理审核［伦研批第（jsxxyy202022）］，本研究应用计算机建立Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型，通过对使用空心螺钉、支撑钢板及重建钢板固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型来行有限元分析，评价3 种内固定材料的生物力学性能，从有限元生物力学角度寻找Haraguchi Ⅱ型后踝骨折的固定方法，为临床对此类后踝骨折固定材料的应用提供一定的基础理论依据。

1 资料与方法

1.1 材料及软件选取1 名健康的成年男性志愿者，年龄40 岁，身高175 cm，体质量74 kg，排除下肢及足部肿瘤、外伤、畸形等异常情况。应用128排螺旋CT扫描双下肢（扫描条件：层厚0.6 mm、螺距0.6 mm 自上而下进行螺旋扫描）。将采集的CT 扫描数据以Dicom 格式保存；选用Mimics 19.0、Geomagic 2013、Hypermesh 14.0、Solidworks 2014 等软件进行数据分析。

1.2 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型建立使用Mimics 19.0 软件的医学图像分割功能根据CT 图像灰度提取胫骨的三维轮廓的Dicom 数据。将采集的Dicom 数据文件导入逆向工程软件Geomagic Studio 2013，运用网格医生、基于曲率的孔填充和雕刻刀等操作对三角面片进行编辑，构建胫骨实体外形，同时根据Haraguchi 对后踝骨折的分类构建Ⅱ型后踝骨折模型。

1.3 内固定材料有限元模型建立将Geomagic Studio 2013 处理过的Dicom 数据导入Mimics 19.0中的3-matic 插件中进行表面网格划分并生成体网格，最后保存成ABAQUS 文件。将所保存的ABAQUS文件导入有限元软件ABAQUS 6.10-1中，分别建立4 个模型：（1）正常胫骨模型；（2）以3 枚后踝空心螺钉+2 枚内踝空心螺钉固定的HaraguchiⅡ型后踝骨折模型（图1A）；（3）以后踝支撑钢板+2 枚内踝空心螺钉固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（图1B）；（4）以后踝重建钢板+2 枚内踝空心螺钉固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（图1C）。在ABAQUS 6.10-1 中对各模型进行网格划分，同时对模型中各种材料进行赋值（表1［5-6］）。

表1 有限元模型中各种材料属性Tab.1 Various material properties in finite element models

图1 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折不同固定材料的内固定模型Fig.1 Internal fixation models of Haraguchi typeⅡ posterior ankle fractures using different fixation materials

1.4 模型的边界条件及加载固定胫骨远端各方向自由度，模拟单足站立姿态，从胫骨垂直向下均匀分布加载500 N，模拟正常体质量（体质量60 kg）［7］。载荷施加方向与下肢力学轴方向一致。

1.5 评价指标获取不同固定材料固定的应力值和位移值。在不同后踝骨折材料固定下所受的应力值越大，固定材料易发生松动或（和断裂）情况；胫骨的总体位移越小，内固定稳定性越好。

2 结果

2.1 后踝骨折的有限元模型结果对完整胫骨实体模型进行有限元网格划分，共生成实体单元76 513 个，节点12 866 个；螺钉固定后踝模型，共生成实体单元112 553 个，节点72 914 个；支撑钢板固定后踝模型，共生成实体单元126 655 个，节点85 667 个；重建钢板固定后踝模型，共生成实体单元115 054 个，节点69 509 个。

2.2 完整胫骨的有限元模型结果完整胫骨受单腿站立载荷时，应力集中区主要分布在靠近腓骨的胫骨下侧和远离腓骨的胫骨上侧处，最大应力为6.71 MPa（图2A）。完整胫骨的总位移变化范围为0 ～ 0.294 mm，由胫骨上关节面向内踝关节面递减分布（图2B）。

图2 完整胫骨应力及位移云图Fig.2 Complete tibial stress and displacement cloud map

2.3 空心螺钉固定后踝骨折分析结果空心螺钉固定后踝时，应力集中于空心螺钉与骨折端接触的位置，分布范围较小。3 枚后踝空心螺钉中，处于上方位置的空心螺钉最高应力大于其他2 枚空心螺钉，靠近内踝侧空心螺钉最高应力小于其他2 枚空心螺钉。3 枚空心螺钉的最大应力分别为43.2、12.7 和7.8 MPa；2 枚内踝空心螺钉中，位于上方位置的空心螺钉最高应力大于下方位置的空心螺钉，2 枚空心螺钉的最大应力分别为5.6 和5.4 MPa，而3 枚空心螺钉固定时的胫骨最大应力为29.4 MPa（图3A）。空心螺钉固定胫骨的总位移变化范围为0～0.391 mm，同样由胫骨上关节面向内踝关节面递减分布（图3B）。

图3 空心螺钉固定后踝骨折模型的应力及位移云图Fig.3 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with hollow screws

2.4 支撑钢板固定后踝骨折分析结果支撑钢板固定后踝骨折时，高应力区集中于靠近腓骨一侧的钢板部分。支撑钢板固定时的整体应力高于空心螺钉，最大主应力为241.1 MPa；用于固定支撑钢板的4 个螺钉的最大应力为101.6 MPa，集中在螺钉与支撑钢板和胫骨连接处；2 枚内踝空心螺钉中，位于上方的空心螺钉的最高应力大于下方位置的空心螺钉，其最大应力分别为2.5 MPa 和2.2 MPa。支撑钢板固定时的胫骨最大应力为24.7 MPa（图4A）。支撑钢板固定胫骨的总位移变化范围为0 ～ 0.349 mm，也是由胫骨上关节面向内踝关节面递减分布（图4B）。

图4 支撑钢板固定后踝骨折模型的应力及位移云图Fig.4 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with supporting steel plate

2.5 重建钢板固定后踝骨折分析结果重建钢板固定后踝骨折时，高应力区集中于靠近腓骨一侧的钢板部分。重建钢板固定时的整体应力低于支撑钢板，最大主应力为221.3 MPa；用于固定重建钢板的5 个螺钉的最大应力为61.9 MPa，应力集中在螺钉钉与重建钢板和胫骨连接处；2 枚内踝空心螺钉中，位于上方的空心螺钉的最高应力小于下方位置的空心螺钉，其最大应力分别为1.4 和1.6 MPa。重建钢板固定时的胫骨最大应力为16.0 MPa（图5A）。重建钢板固定胫骨的总位移变化范围为0 ～ 0.323 mm，同样由胫骨上关节面向内踝关节面递减分布（图5B）。

图5 重建钢板固定后踝骨折模型的应力及位移云图Fig.5 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model after reconstruction with steel plate fixation

3 讨论

HARAGUCHI 等［8］根据病理解剖学和踝关节CT 将后踝骨折分为三型，其中Ⅱ型为内侧延伸型，即骨折线自胫骨远端腓切迹延伸至内踝，其中部分病例后踝骨块分为后外和后内两部分。后踝不仅是踝关节的骨性稳定结构，还是下胫腓后韧带和踝关节后关节囊的附着部位，后踝骨折会使两者稳定性遭到破坏，从而使踝关节骨性关节炎的发生率提高，影响踝关节功能［9-11］。目前临床上HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的手术固定方法主要有钢板和空心螺钉，但仍存在较多争议。许多学者［12-15］通过临床及相关生物力学研究发现，使用空心螺钉对后踝骨折进行固定，具有明显优势及稳定性；而另一部分学者［16-20］研究发现，后踝骨折块采用钢板固定较螺钉固定更佳稳定，更有助于恢复踝关节的稳定性。但以上研究对后踝骨折分型、骨折块的大小、使用的固定材料、损伤情况各有不同，本研究以HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的不同固定材料为切入点，研究探讨3 种不同固定材料的生物力学稳定性。

本研究模拟了HARAGUCHIⅡ型后踝骨折模型，分别采用3 枚空心螺钉、支撑钢板及重建钢板对同一模型进行固定，以模型的相关应力和位移作为评判指标，确定3 种固定材料的强度及稳定性。本研究结果发现空心螺钉固定的模型应力集中于空心螺钉与骨折端接触位置，而钢板固定的模型应力却集中于靠近腓骨侧的钢板上，同时钢板组应力明显高于螺钉固定组，但重建钢板组低于支撑钢板组，同时还发现钢板组固定钢板的螺钉所受应力也是重建钢板组最小；螺钉及钢板应力大，就容易出现螺钉和钢板疲劳，出现松动或（和）断裂的情况发生，从而导致固定失效。同时发现3 种固定模型中，胫骨所受的应力是螺钉组最大，重建钢板组最小。还发现在3 种不同材料固定的模型中，不同固定材料对内踝固定的螺钉应力也是不同的，表现为螺钉组内踝螺钉所受应力最大，而重建钢板组内踝螺钉所受应力最小。因此，钢板组整体应力较螺钉组具有明显的优势，其不仅使自身的应力相对分散，同时也使内踝螺钉所受应力减小，增加了内踝螺钉的稳定性；而重建钢板组较支撑钢板组具有应力更小，稳定性更好的性能。

模型位移情况可以反映固定材料的生物力学稳定性，整体位移变化范围越大，反映模型的生物力学稳定性越差。本研究显示螺钉组位移最大，钢板组次之，重建钢板位移较支撑钢板变化更小，反映了重建钢板的稳定性最佳。重建钢板的稳定性最佳的原因可能因为重建钢板呈“L”型，可能可以提供更好的三角固定有关，同时重建钢板可以提供更大的接触面，相当于空心螺钉和支撑钢板固定的组合，使后踝骨折块更佳稳定，故其各项性能优于空心螺钉组和支撑钢板组。

虽然三维有限元技术通过计算机技术模拟临床手术技术，有较高的准确性，但它毕竟是通过计算机技术模拟而成的一种相对理想化的模型，没有考虑踝关节周围的韧带、软组织等因素对踝关节稳定性的影响；本研究为静止研究，还有待循环加载条件进一步验证；本研究没有考虑其他后踝骨折分型、骨折块的大小对内固定材料的影响，后续可以根据骨折块大小设定不同内固定材料的牢固性。因此，本课题还需进一步相关研究，以求得到更加可靠、全面的结论。

综上所述，对于HARAGUCHIⅡ型后踝骨折，选择后踝钢板固定+内踝空心螺钉的固定方式，具有明显的生物力学稳定性优势；但重建钢板固定后踝骨折较支撑钢板的稳定性更好，为一种固定后踝骨折的理想材料，对临床具有一定的指导性。

【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.