两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性

doi:10.12307/2022.162

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (6): 838-842.doi: 10.12307/2022.162

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性

温明韬1，梁学振1，李嘉程1，许波1，2，李刚 1，2

1山东中医药大学，山东省济南市 250355； 2山东中医药大学附属医院显微骨科，山东省济南市 250014

收稿日期:2021-04-26 修回日期:2021-04-28 接受日期:2021-06-03 出版日期:2022-02-28 发布日期:2021-12-07
通讯作者: 李刚，博士，教授，博士生导师，山东中医药大学，山东省济南市 250355；山东中医药大学附属医院显微骨科，山东省济南市 250014
作者简介:温明韬，男，1995年生，山东省聊城市人，在读硕士，主要从事骨与关节创伤的基础与临床研究。
基金资助:
济南市科技计划项目(201907008)，项目负责人：李刚

Mechanical stability of Sanders II type calcaneal fractures fixed by two internal fixation methods

Wen Mingtao1, Liang Xuezhen1, Li Jiacheng1, Xu Bo1, 2, Li Gang1, 2

1Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, Shandong Province, China; 2Department of Microscopic Orthopedics, Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250014, Shandong Province, China

Received:2021-04-26 Revised:2021-04-28 Accepted:2021-06-03 Online:2022-02-28 Published:2021-12-07
Contact: Li Gang, MD, Professor, Doctoral supervisor, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, Shandong Province, China; Department of Microscopic Orthopedics, Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250014, Shandong Province, China
About author:Wen Mingtao, Master candidate, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, Shandong Province, China
Supported by:
the Science and Technology Plan Project of Jinan, No. 201907008 (to LG)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
有限元分析：运用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。通过计算机运算模拟将载荷、形态、材料结构和力学性能较为复杂的整体划分为有限个简单的单元，进而充分反映整体内外部应力、应变、位移等力学参数的变化。
跟骨骨折Sanders分型：跟骨骨折以足跟部剧烈疼痛、肿胀和瘀斑明显、足跟不能着地行走及跟骨压痛为主要表现。Sanders分型基于CT冠状位扫描图像，在CT冠状位上选择跟骨后距关节面最宽处由外向内分为3份，分别代表骨折线的位置。

背景：对于Sanders Ⅱ型跟骨骨折，锁定钢板内固定的“L型”切口易发生皮瓣坏死等并发症，而撬拨复位后空心螺钉内固定可以很好地避免此问题，但仍然缺乏内固定效果的评价。
目的：基于有限元分析方法，比较研究Sanders Ⅱ型跟骨骨折2种固定方式的固定效果与力学稳定性。
方法：筛选1名男性志愿者(25岁，身高175 cm，体质量75 kg)，应用断层CT对胫骨中段至全足行全层连续扫描。通过CT扫描数据，建立完整跟骨的三维有限元分析模型。模拟Sanders Ⅱ型跟骨骨折，分别行锁定钢板固定(锁定钢板组)及撬拨复位后空心螺钉加压固定(空心螺钉组)。对两组模型施加相同约束与载荷下比较2种固定方式的应力分布、位移情况及骨折块位移表现。
结果与结论：①空心螺钉内固定的应力集中于骨折线接触附近，最大Von Mises应力达53.948 MPa，横向空心螺钉相较纵向螺钉位移较大，最大位移达0.175 37 mm；锁定钢板内固定应力与位移均集中于钢板中部螺钉孔附近，其最大Von Mises应力达129.95 MPa；骨折线位移空心螺钉组(0.015 77 mm)小于锁定钢板组(0.021 03 mm)；②两组内固定的最大应力均低于材料的屈服强度；③两组跟骨模型在距下关节附近发生最大位移；④结果表明，空心螺钉与锁定钢板内固定用于治疗Sanders Ⅱ型跟骨骨折均具有良好的稳定性，且撬拨复位空心螺钉内固定具有减少术后并发症发生等优点，是Sanders Ⅱ型跟骨骨折较为推荐的内固定方式。

https://orcid.org/0000-0002-1654-2264 (温明韬)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 跟骨骨折, Sanders II型骨折, 骨折内固定, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: For Sanders type ii calcaneal fractures, the “L-shaped” incision with locking plate internal fixation often causes complications such as necrosis of the surgical incision flap. The internal fixation with hollow screws after prying and resetting can well avoid this problem, but there is still a lack of evaluation of the effect of internal fixation.
OBJECTIVE: To compare and study the fixation effect and mechanical stability of the two fixation methods for Sanders II type calcaneal fractures based on the finite element analysis method.
METHODS: One male volunteer (25 years old, height 175 cm, weight 75 kg) was screened, and a full-thickness continuous scan was performed from the middle part of the tibia to the whole foot by tomographic CT scan. Based on CT scan data, a complete three-dimensional finite element analysis model of the calcaneus was established. The Sanders II type calcaneal fracture was simulated, and locking plate fixation (locking plate group) and hollow screw compression fixation (hollow screw group) were performed after prying reduction. The stress distribution, displacement and fracture displacement performance of the two fixation methods were compared under the same constraints and loads on the two sets of models.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress of hollow screw internal fixation was concentrated near the fracture line contact, and maximum Von Mises stress reached 53.948 MPa. The displacement of the horizontal hollow screw was larger than that of the longitudinal screw, and the maximum displacement was up to 0.175 37 mm. The fixed stress and displacement of the locking steel plate were concentrated near the screw hole in the middle of the steel plate. The maximum Von Mises stress reached 129.95 MPa. The fracture line displacement of the hollow screw group (0.015 77 mm) was smaller than that of the locking plate group (0.021 03 mm). (2) The maximum stress of the two sets of internal fixation was lower than the yield strength of the material. (3) The two groups of calcaneal models had the largest displacement near the subtalar joint. (4) It is concluded that hollow screws and locking plate internal fixation for the treatment of Sanders II type calcaneal fractures have good stability. Pry reduction hollow screw internal fixation has the advantages of reducing postoperative complications. It is the recommended method of internal fixation for Sanders II type calcaneal fractures.

Key words: calcaneal fracture, Sanders type II fracture, internal fracture fixation, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.

Wen Mingtao, Liang Xuezhen, Li Jiacheng, Xu Bo, Li Gang. Mechanical stability of Sanders II type calcaneal fractures fixed by two internal fixation methods[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(6): 838-842.

图/表（结果） 5

2.1 模型有效性验证为了验证模型的合理有效性，运算跟骨完整模型在不同工况加载情况下的最大Von Mises应力，并与现有研究文献[15]的所得数据比较。在3种不同工况下，此次研究模型的最大Von Mises应力与文献研究结果较为相似，见图3。考虑到各自模型的差异性，此次研究所建立的模型是有效的。

2.2 模型的应力比较
2.2.1 内固定模型应力空心螺钉组的应力主要集中在螺钉与骨折线接触附近，最大应力值达到了53.948 MPa，出现在纵向螺钉附近。2根横向螺钉的分析结果显示，应力出现明显集中于内外侧骨折块骨折线附近，对抗内外侧骨折块载荷承载下的分离形变。锁定钢板组的应力主要集中在钢板与锁定螺钉附近，最大应力值为129.95 MPa，出现在钢板中部螺钉孔周围。空心螺钉组最大等效应力相较于锁定钢板组较小，而锁定钢板组应力集中情况突出，应力分布结果见图4。

2.2.2 两种内固定方式装配下跟骨的应力分布两种内固定方式下的跟骨模型均未出现明显的应力集中情况，整体应力情况表现良好。两组内固定方式下，空心螺钉组的最大等效应力为60.053 MPa，锁定钢板组的最大等效应力为129.95 MPa，应力分布云图见图5。

2.3 模型的位移比较
2.3.1 内固定模型位移空心螺钉组载距突附近的横向螺钉发生了最大位移，最大位移为0.175 37 mm。锁定钢板组最大位移发生在距下关节附近的钢板中部螺钉孔及锁定螺钉处，最大位移为0.10 318 mm，见图6。

2.3.2 两种内固定方式装配下跟骨的位移空心螺钉组整体的位移最大值为0.214 02 mm，距下关节、载距突及关节面骨折线周围的移位最为明显。锁定钢板组整体的位移最大值为0.135 72 mm，最大位移位于距下关节、载距突和关节面骨折线附近。空心螺钉组的骨折线位移为0.015 77 mm，而锁定钢板组骨折线位移为0.021 03 mm，表明空心螺钉组保持骨折块相对稳定位置的效果优于锁定钢板组，位移云图见图7。

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引言

材料方法

1.1 设计基于有限元分析方法进行CT数据分析。
1.2 时间及地点 2020年12月至2021年3月在山东中医药大学骨科教研室完成。
1.3 对象以1名男性志愿者(25岁，身高175 cm，体质量75 kg)为研究对象，排除足跟部病变、畸形等异常情况。该志愿者对实验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。
1.4 实验仪器和相关软件德国西门子CT(SOMATOM
Definition)；医学影像学软件Mimics 21.0(Materialise 公司，比利时)；三维结构优化软件Geomagic Studio 2017(Rainrrop 公司，美国)；Solidworks 2018软件(Dassarlt Systemes SA 公
司，美国)；力学分析软件Anasys 21.0(ANSYS 公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 数据获取及三维建模应用螺旋CT对志愿者胫骨中段至全足部行全层连续扫描，电压为120 kV，电流为150 mA，
扫描层厚为0.5 mm，获得512×512矩阵的CT图像数据(Dicom格式)。
获得数据导入Mimics 21.0软件，通过阈值分割、区域增长及三维重建等蒙版编辑操作，初步获得正常跟骨的三维有限模型。模型经过光滑处理后，以STL格式导入Geomagic Studio 2017软件。在Geomagic Studio 2017软件中通过光滑曲面、松弛、整体偏移等操作建立松质骨及皮质骨部分，装配后得到跟骨的面实体模型。CT提取的初步模型与光滑模型，见图1。

1.5.2 内固定模型的建立将跟骨模型导入Solidworks 2018软件，在软件中建立锁定钢板系统(跟骨锁定钢板及锁定螺钉，钛合金材质)及空心螺钉(螺钉全长90 mm，螺纹部直径7.3 mm，螺钉空杆部直径6 mm，中空部分直径4 mm，钛合金材质)等模型。在Solidworks 2018软件中将跟骨模型与内固定通过原点重合、布尔运算等操作分别进行装配，获得Sanders Ⅱ型跟骨骨折的两种内固定方式模型。依据相关参考文献[11-12]，定义装配模型材料的具体材料性质，见表1。

1.5.3 网格划分为了方便软件运算和后期的数据分析，通过ANASYS 21.0软件划分有限元网格。将跟骨模型的网格平均尺寸定义为1 mm，内固定模型的网格平均尺寸定义为0.6 mm，网格均设定为四面体单元，将跟骨与内固定物的网格进行细化处理。空心螺钉组有限元网格模型中，节点数1 109 136个，有限单元数731 693个；锁定钢板组有限元网格模型中，节点数522 081个，有限单元数299 023个，见图2。

为了保证模型网格的计算精度及运算收敛，依据参考文献[13]的研究经验，对载荷加载的时间迭代运算进行分段设置，并对非线性接触部分进行网格加密，保证模型的运算收敛性。
1.5.4 边界条件及载荷分析跟骨的受力情况相对复杂，作为足部最大的跗骨，其结构为不规则的长方体[1]。跟骨周围的肌腱和韧带数量较多，产生的力学稳定性影响存在不确定性，完整的数字模拟存在较大难度[14]。因此，该研究的受力模型简化跟骨的受力情况，忽略韧带及次要韧带的影响，只讨论静止站立位的力学稳定性。依据参考文献[7，12]，将跟骰关节面和跟骨与地面接触最低点处的节点定义完全约束，在X、Y、Z轴上的活动度均为0。各骨折块之间的接触设定为摩擦，摩擦系数0.2，空心螺钉及锁定螺钉与跟骨的接触设定摩擦，摩擦系数设定为0.5；锁定螺钉与钢板之间的接触设定为绑定，锁定钢板与跟骨的接触不考虑加压摩擦。在设定好工况的跟骨三维有限元模型上运算中立位下的力学稳定情况。依据参考文献[10]的设定条件，模拟跟骨中立位下各位置的施加载荷，见表2。

1.6 主要观察指标空心螺钉内固定组与锁定钢板内固定组2个有限元模型在同种载荷加载工况下表现出的模型各部分最大位移和Von Mises应力分布，评价两种内固定方式固定SandersⅡ型骨折的力学稳定性。

讨论

跟骨骨折多由高处坠落等垂直方向的高能量损伤导致[16-20]，主要承力的跟骨外侧壁失去力学稳定性，影响足踝部的正常功能。由于跟骨骨折大多涉及跟距关节，如若得不到及时正确的治疗，预后往往不良，病废率较高。目前，跟距关节内骨折的跟骨骨折大多选择手术治疗。选择经典的外侧长“L”型切口切开复位植入钢板内固定是最常用的手术方式，因能广泛显露跟骨外侧，这种术式在恢复跟骨Bohler角、Gissane角及宽度、高度方面具有一定优势[21]，但其切口较大，术后常伴有切口附近皮瓣坏死等并发症，因此探讨微创内固定技术在跟骨骨折的应用对于减少创伤、保护跟骨外侧皮瓣等方面具有重要意义。撬拨复位空心螺钉加压内固定技术具有操作简单、创伤小、可以避免术后切口并发症等优点，一期愈合率高，其作为平衡保守治疗和经典手术治疗优缺点的一种术式已经广泛应用于临床[22-24]。
根据有限元分析结果，空心螺钉组模型的骨折线位移小于锁定钢板组，表明空心螺钉组保持骨折块各部分相对位置的效果要优于锁定钢板组。从结构角度分析，主要原因在于垂直于骨折线的空心螺钉发挥了梁结构的效果，对于施加的载荷有明显的应力承载作用，有效抵抗了载荷对骨折块的加压变形，因此空心螺钉组的骨折线位移较小，其中横向的2枚空心螺钉发挥了重要作用，空心螺钉组内固定最大位移发生在2枚横向螺钉上，打入载距突的横向螺钉对载距突起到了拉力作用，在载荷加载下抵抗骨折线位移提供了更好的稳定性作用。锁定钢板组的最大应力位于钢板中部螺钉孔附近，这是由锁定钢板与锁定螺钉的悬臂结构所决定的。位移结果显示，锁定钢板内固定在承担载荷加载下的应力时，位移呈现出阶段性分布。锁定钢板组维持关节面稳定的作用主要通过锁定螺钉分散应力，以减弱载荷应力过于集中导致的钢板屈服变形，但整体的受力结果显示仍然是钢板分担了更大的载荷。由于锁定钢板内固定是通过锁定成角来发挥稳定的效果，在载荷加载下对抗形变的效果相对不足，内固定的位移较大。根据应力的计算结果，两种内固定方式在相同的加载条件下，最大应力均远远小于其屈服强度[25]，并且两组模型骨折线的位移结果相差不大，说明两种内固定方式均可在骨折早期保证骨折块的相对稳定，但空心螺钉组骨折线位移相较于锁定钢板组较小。综合二者临床应用的优缺点，采用撬拨复位空心螺钉加压内固定作为SandersⅡ型跟骨骨折的治疗方式是较为推荐的。
与郭宗慧等[10]的有限元分析设定比较，此次研究中均为单独的跟骨三维模型建立后的有限元分析，对跟骨周围软骨、韧带结构等周围软组织均简化处理，在同样工况下的骨折线最大位移与最大应力相差不大。在ZHANG等[15]构建的有限元模型中，其对足踝部的骨及韧带等结构均细化考虑，重建了跟骨周围结构，且载荷的加载及边界条件设置不同，故有限元分析结果有较大的差异。有限元分析作为针对个体案例的生物力学分析方法，在模型构建、材料属性、网格划分及载荷加载等方面各研究者的设定有一定的差异性，模型建立的个性化较强，但不同研究者的有限元分析结果在整体上的等效应力与模型位移的变化趋势具有一定的参考意义。
临床研究文献表明，针对SandersⅡ、Ⅲ型的跟骨骨折，撬拨复位后空心螺钉加压内固定的治疗方式可以获得良好的临床疗效，术后切口愈合不良及皮缘坏死等并发症低[26-28]。与切开复位锁定钢板内固定的治疗方式相比，二者的疗效相当[29]，并且可以进行早期锻炼以尽快恢复患肢功能[30-31]，但此种固定方式对于术者的操作经验及骨折的复位要求较高，临床开展具有一定难度。现阶段临床上采用的骨科手术机器人系统可以辅助骨科医生精准化小切口下的空心螺钉置钉，满足骨折复位的基本原则，进一步提高了撬拨复位空心螺钉内固定跟骨骨折的治疗良性率[32]。
经典的“L”形切口切开复位锁定钢板内固定作为临床最常用的跟骨骨折治疗方式，术野充分暴露和术者简便操作所带来的切口附近皮缘软组织的广泛破坏、局部血运不良等负面作用，可能会导致皮肤坏死和伤口迸裂，甚至出现跟骨骨髓炎等手术并发症[33]，相较于撬拨复位空心螺钉的固定方法，具有明显缺陷。研究表明，切开复位钢板内固定也是造成跟骨创伤性关节炎与足踝附近关节功能恢复不佳的原因[34]。
胡凯等[22]针对空心螺钉和钢板内固定跟骨关节内骨折的Meta分析表明，SandersⅡ型跟骨骨折的钢板内固定和空心螺钉内固定的强度相似，但空心螺钉内固定组在手术时间、减少术后并发症方面优于钢板内固定组。因此，综合考量两种内固定方式的力学特性及临床应用优缺点，撬拨复位空心螺钉加压固定可能是一种更好的治疗SandersⅡ型跟骨骨折的内固定方式。
综上所述，该研究通过有限元分析的生物力学方法比较了SandersⅡ型跟骨骨折切开复位锁定钢板内固定及撬拨复位后空心螺钉加压内固定的力学稳定性。撬拨复位后空心螺钉加压内固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折，在减少术后并发症发生与加速骨折术后康复等方面具有较大优势，是Sanders
Ⅱ型跟骨骨折推荐的内固定方式。由于有限元分析中为了减少计算压力，通常对实际情况进行简化考虑，以及骨骼组织材料的各向异性、非线性问题被忽略，该研究仅能从实验角度粗略描述模型的力学稳定性，但实验内容的整体变化趋势与实际情况基本相符，对指导临床应用具有一定意义。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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