三维组架螺钉与微创钢板固定Sanders Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析

doi:10.12307/2024.651

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (33): 5289-5294.doi: 10.12307/2024.651

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

三维组架螺钉与微创钢板固定Sanders Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析

孔德伟1，宋超2，吴亮2，吴铭2，龚璐璐3，汪嘉琪1，潘红元1，范鑫斌2，张岩2

1宁夏医科大学上海市浦东新区公利医院研究生培养基地，上海市 200135；2上海市浦东新区公利医院骨科，上海市 200135；3同济大学生命科学与技术学院，上海市 200092

收稿日期:2023-07-31 接受日期:2023-09-19 出版日期:2024-11-28 发布日期:2024-01-30
通讯作者: 范鑫斌，硕士，主治医师，上海市浦东新区公利医院骨科，上海市 200135
作者简介:孔德伟，男，1996年生，甘肃省陇南市人，汉族，在读硕士，医师，主要从事创伤骨科、生物力学方面的研究。
基金资助:
上海市浦东新区卫生健康委员会2020年度卫生科技项目(PW2020A-43) ，项目负责人：范鑫斌；上海市浦东新区卫生系统重点学科(PWZxk2022-09)，项目负责人：张岩

Finite element analysis of three-dimensional frame screws and minimally invasive plate for fixation of Sanders III calcaneal fractures

Kong Dewei1, Song Chao2, Wu Liang2, Wu Ming2, Gong Lulu3, Wang Jiaqi1, Pan Hongyuan1, Fan Xinbin2, Zhang Yan2

1Postgraduate Training Base, Shanghai Pudong New Area Gongli Hospital, Ningxia Medical University, Shanghai 200135, China; 2Department of Orthopedics, Shanghai Pudong New Area Gongli Hospital, Shanghai 200135, China; 3College of Life Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, China

Received:2023-07-31 Accepted:2023-09-19 Online:2024-11-28 Published:2024-01-30
Contact: Fan Xinbin, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Shanghai Pudong New Area Gongli Hospital, Shanghai 200135, China
About author:Kong Dewei, Master candidate, Physician, Postgraduate Training Base, Shanghai Pudong New Area Gongli Hospital, Ningxia Medical University, Shanghai 200135, China
Supported by:
The 2020 Health Technology Project of the Shanghai Pudong New Area Health Commission, No. PW2020A-43 (to FXB); Key Discipline of Health System in Pudong New Area of Shanghai, No. PWZxk2022-09 (to ZY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

Sanders分型：1990年由Sanders提出，基于冠状位和轴位CT表现，根据后距下关节面骨折的情况，将关节内骨折分为4大类型：Ⅰ型，所有的无移位骨折；Ⅱ型，后距下关节面的两部分骨折；Ⅲ型，后距下关节面的三部分骨折，中央有塌陷的骨折块；Ⅳ型，关节面四部分骨折，严重粉碎骨折。这种分型主要反映了跟骨后关节面的损伤程度，已证明对治疗方法的选择和预后判断有重要意义。
骨科有限元技术：数字化有限元分析技术因节约成本、精准性、更能模拟机体力学等优点在国内外成为了研究热点。在骨科力学方面，可以施加不同的负荷、材料属性、边界条件，对应力、应变、刚度、位移情况等进行分析，解决了传统骨科力学研究有创性、环境影响大、费用高、耗时长的问题，成为研究骨科力学重要的工具。

背景：经皮复位加压固定的三维组架螺钉内固定在治疗Sanders Ⅲ型跟骨骨折上已经取得了满意的临床疗效，但在生物力学方面是否可以达到微创钢板内固定的稳定性，以及对比之后的优势与缺点还不得而知。

目的：通过有限元分析方法探讨不同内固定装置对Sanders Ⅲ型跟骨骨折的固定效果。
方法：选择 1 名 26 岁成年健康男性志愿者，根据其跟骨 CT 数据制作Sanders Ⅲ型跟骨骨折有限元模型。选用经皮微创三维组架螺钉、跗骨窦微创钢板分别固定跟骨骨折模型，分别施加350，700 N纵向载荷，分析2种模型的位移、应力分布情况，比较各种模型的稳定性。

结果与结论：①三维组架螺钉模型中骨块与内植物的峰值应力明显低于微创钢板模型，三维组架螺钉模型中骨块与内植物的平均应力也明显低于微创钢板模型；②2种模型的最大位移均位于后距关节面内侧，三维组架螺钉模型的最大位移小于微创钢板模型；③微创钢板模型前突骨块与内侧骨块的纵向位移更小，三维组架螺钉模型内侧骨块与中段骨块的横向与垂直位移更小；④提示2种内固定模型均能提供满意的固定效果，其中三维组架螺钉模型使应力分布更均匀、骨块综合位移更小，能提供更好的横向与垂直稳定性，而微创钢板在维持纵向稳定性上更具优势。

https://orcid.org/0009-0003-0651-4141 (孔德伟)

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, 生物力学, Sanders Ⅲ型, 内固定, 有限元分析, 螺钉, 微创钢板, 微创

Abstract: BACKGROUND: Satisfactory clinical results have been achieved in the treatment of Sanders III calcaneal fractures by percutaneous compression fixation with three-dimensional frame screws. However, whether the stability of minimally invasive plate internal fixation can be achieved in terms of biomechanics, and the advantages and disadvantages after comparison are still unknown.
OBJECTIVE: To investigate the fixation effect of different internal fixation devices on Sanders III calcaneal fractures by finite element analysis.
METHODS: A finite element model of Sanders III calcaneal fracture was made based on CT data of a 26-year-old healthy male volunteer. The calcaneal fracture models were fixed by minimally invasive three-dimensional frame screws and minimally invasive Y-plate. The longitudinal loads of 350 and 700 N were applied respectively. The displacement and stress distribution of the two models were analyzed, and the stability of each model was compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The peak stress of bone block and implant in the minimally invasive three-dimensional frame screw model was significantly lower than that in the minimally invasive minimally invasive plate model. The average stress of bone block and implant in the three-dimensional frame screw model was also significantly lower than that in the minimally invasive plate model. (2) The maximum displacement of the two models was located at the medial side of the articular surface of the posterior talus, and the maximum displacement of the three-dimensional frame screw model was smaller than that of the minimally invasive plate model. (3) The longitudinal displacement between the anterior fragment and the medial fragment of the minimally invasive plate model was smaller, and the transverse and vertical displacement between the medial fragment and the middle fragment of the three-dimensional group screw model was smaller. (4) It is concluded that both of the two internal fixation models can provide satisfactory fixation effect. The three-dimensional frame screw model can provide better transverse and vertical stability with more uniform stress distribution and smaller comprehensive displacement of bone fragments, while the minimally invasive plate has more advantages in maintaining longitudinal stability.

Key words: calcaneal fracture, biomechanics, Sanders III type, internal fixation, finite element analysis, screw, minimally invasive plate, minimally invasive

中图分类号:

孔德伟, 宋超, 吴亮, 吴铭, 龚璐璐, 汪嘉琪, 潘红元, 范鑫斌, 张岩. 三维组架螺钉与微创钢板固定Sanders Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(33): 5289-5294.

Kong Dewei, Song Chao, Wu Liang, Wu Ming, Gong Lulu, Wang Jiaqi, Pan Hongyuan, Fan Xinbin, Zhang Yan. Finite element analysis of three-dimensional frame screws and minimally invasive plate for fixation of Sanders III calcaneal fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(33): 5289-5294.

图/表（结果） 4

2.1 应力及分布
2.1.1 应力分布 2种内固定模型及骨折模型应力均主要分布在前突骨块、中段骨块、内侧骨块以及内植物上。骨折模型内侧骨块和中段骨块承受了较为明显的压力，2种内固定模型均改善了这一情况，三维组架螺钉使内侧骨块承担的压力较微创钢板更小(图2)。三维组架螺钉内固定模型峰值应力集中在内侧骨块与中段骨块的狭缝与C2螺钉相接处；微创钢板内固定模型应力峰值则位于Y4螺钉与中段骨块的相接处(图2)。

2.1.2 平均应力及峰值应力对比骨折模型，2种内固定模型均有效降低了跟骨骨折块的峰值应力与平均应力，三维组架内固定对降低骨折块应力的效果更明显。三维组架内固定模型的内植物平均应力与峰值应力也小于微创钢板内固定模型，见表2，3。各组模型应力值随着载荷增加而增加，模型中的螺钉应力如图3所示。

2.2 位移及分布
2.2.1 位移分布 2种内固定模型的位移分布主要集中在前、中、后距下关节面，位置相似。位移距离放大100倍可直观展示后，2种内固定模型的位移云图如图4所示，其中三维组架螺钉模型内侧骨块的垂直位移明显小于微创钢板模型，内侧骨块与中段骨块的横向位移略小于微创钢板模型，内侧骨块的纵向位移大于微创钢板模型导致前突骨块载距突处的间隙大于微创钢板模型。

2.2.2 峰值位移对比骨折模型，2种内固定模型均有效降低了峰值位移的距离，都能提供满意的固定效果；三维组架螺钉模型的横向、垂直及综合位移更小；微创钢板在维持纵向稳定性上更具优势，见表4，5。各组模型位移值随着载荷增加而增加。

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引言

跟骨骨折占成人骨折病例的1%-2%，其中关节内跟骨骨折占 60%-75%[1]，大多数患者是处于最佳工作年龄的男性[2]。
多年来，传统的跟骨外侧“L”型切口结合钢板内固定是治疗关节内跟骨骨折的金标准[3]，然而跟骨骨折手术技术要求高，伤口并发症频出，伤口不愈合、浅表和/或深部感染等影响了临床疗效[4-5]，根据国内外文献报道，LIN等[6]报道传统术式治疗后上述并发症发生率34%，王建锋等[7]也报道了25%的并发症发生率。如今，如何在保证固定效果的前提下减少软组织并发症发生率成为了新的治疗理念与关注点。作者课题组在前期的临床工作中采用经皮微创三维组架螺钉内固定治疗Sanders Ⅲ型跟骨骨折，该治疗方法优点明显，可以避免传统手术切口和植入物的损伤，减少手术的创伤和恢复时间。在临床实践中，三维组架螺钉治疗跟骨骨折的成功率较高，患者康复良好[8]，在不影响固定效果的基础上，同时降低术后各类伤口并发症的发生率，提高了疗效。
数字化有限元分析技术因节约成本、精准性高、更能模拟机体力学等优点在国内外成为了研究热点。在骨科力学方面，可以施加不同的负荷、材料属性、边界条件，对应力、应变、刚度、位移情况等进行分析，解决了传统的骨科力学研究的有创性、环境影响大、费用高、耗时长的问题，成为研究骨科力学重要的工具[9-12]。
在力学性能上，现有文献报道均未对螺钉内固定术式治疗Sanders Ⅲ型跟骨骨折的稳定性进行生物力学上的验证。例如：温明韬等[13]通过有限元分析方法比较了Sanders Ⅱ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，并证明了撬拨复位后空心螺钉加压内固定的有效性，但他的基础研究以Sanders Ⅱ型跟骨关节内骨折为研究对象，并未纳入临床上同样多见的Sanders Ⅲ型跟骨关节内骨折。HE等[14]所验证的Sanders Ⅱ、Ⅲ型经皮螺钉在生物力学上的有效性并非单纯螺钉内固定，而是结合了微创钢板的螺钉联合钢板内固定，单纯螺钉内固定的有效性并未得到证明。通过总结上述有限元分析研究的不足，探讨微创三维组架螺钉固定在生理载荷下的力学稳定性，此次研究旨在通过建立三维有限元模型，对临床上常见的Sanders Ⅲ型跟骨骨折微创钢板内固定与三维组架螺钉内固定的固定效果及力学性能进行分析比较，临床上同样常见的Sanders Ⅱ型骨折由于有较多文献探讨其螺钉内固定的生物力学稳定性，所以此次研究不再涉及。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

材料方法

1.1 设计有限元分析，对Sanders Ⅲ型跟骨骨折三维组架螺钉内固定和微创钢板内固定的生物力学有效性进行建模对比分析。
1.2 时间及地点实验于2022年3月至2023年5月在上海市浦东新区公利医院骨科、影像科及同济大学生命科学与技术学院完成。
1.3 对象选择 1 名 26 岁正常成年男性志愿者，体质量70 kg，身高 177 cm，无慢性疾病史，无骨质疏松及其他骨代谢疾病，无骨占位性疾病。此次实验经上海市浦东新区公利医院医学伦理委员会伦理批准(2020-22号)，志愿者签署知情同意书。
志愿者右踝关节、右足行 CT 扫描，踝关节保持正常站立位，扫描方向为由距骨顶端至跟骨底端。CT 扫描设备为64 排螺旋CT(Siemens 公司，德国)。扫描层厚0.625 mm，床进速度为1.3 mm/s，球管电流与电压分别为500 mA和120 kV，得到足骨 CT 数据，以 DICOM 格式保存。
1.4 方法

1.4.1 三维模型建立将得到的足骨 CT 数据导入 ITK-SNAP 3.8.0(University of Pennsylvania，USA)软件，基于像素灰度值，分割距骨、跟骨、骰骨、楔骨(内侧楔骨、中间楔骨、外侧楔骨)、距下关节面软骨、跟骰关节软骨图像，进行三角形表面网格重建，导出 STL 格式文件。所有STL格式的文件导入Altair Hyper Works (Version 2020，Altair，美国)中，分别建立距骨、跟骨、骰骨、楔骨(内侧楔骨、中间楔骨、外侧楔骨)、距下关节面软骨、跟骰关节软骨模型，将上述足骨模型基于CT数据进行配准，建立正常跟骨足骨模型。根据1990年由Sanders提出跟骨骨折定义，跟骨后关节面2条骨折线为Sanders Ⅲ型跟骨骨折，将正常跟骨模型后距关节面切割2条骨折线形成三部分骨折，再分离跟骨结节，生成相应骨折模型[15]。最终模型跟骨分为4个骨块：前突骨块、中段骨块、内侧骨块和后突骨块(图1)；前突骨块包括前距关节面，部分中距关节面、部分外侧后距关节面及跟骨外侧大部；中段骨块包括后距关节面中部及底部；内侧骨块仅包括载距突至跟骨结节内侧缘部分；后突骨块包括跟骨结节内、外侧突至跟骨结节。根据内植物尺寸数据以及临床资料，在HyperWorks 中建立钢板和螺钉的三维实体模型，再依据手术固定方式选取不同组件的内植物实体几何模型与骨折跟骨模型进行装配生成模型[8，16](图1)。

1.4.2 材料属性定义跟骨、距骨、骰骨、楔骨(内侧楔骨、中间楔骨、外侧楔骨)距下关节面软骨、跟骰骨软骨均假设为连续、均质及各向同性的线弹性材料。设定皮质骨、软骨及内植物(三维组架螺钉、微创钢板、螺钉)的弹性模量与泊松比[9，17-18]，见表1。骨块与内植物之间面-面接触，骨折块之间设置不分离接触。

1.4.3 网格划分通过ANASYS 21.0软件划分有限元网格。将跟骨模型的网格平均尺寸为1.3 mm，内植物模型的网格平均尺寸为0.75 mm，网格均设定为四面体(Solid 185)，将跟骨与内固定物的网格进行细化处理。骨折网格模型中，节点数220 087个，有限单元数1 130 782个；空心螺钉组网格模型中，节点数233 590个，有限单元数1 211 791个；锁定钢板组网格模型中，节点数256 226个，有限单元数1 338 565个。
1.4.4 接触条件设置对模型各部件进行接触条件的设定，螺钉与钢板模型设置为绑定，螺钉与跟骨模型设置为绑定，皮质骨与松质骨设置为绑定。不同装配体之间的连接方式：节点耦合。
1.4.5 边界条件及加载载荷将四面体有限元网格模型文件导入Ansys软件(Version 18.2，Ansys，美国)，赋予边界条件并加载，跟骨底、骰骨底、楔骨底进行三向平移和三向旋转约束，使其自在X、Y、Z轴位移绝对受限。负荷的作用点位于距骨的顶端，方向由近端向远端方向垂直加压，设定加载力为700 N与350 N，分别模拟70 kg体质量人体行走或单足站立、双足站立时跟骨的受力状态。
1.4.6 模型有效性验证为验证模型有效性，运算跟骨骨折模型在加载应力情况下的最大位移。根据毛宾尧等[19]的研究，足跟部承担足底受力的46.68%。在距骨顶端加载700 N应力后骨折模型位移0.67 mm，跟骨受力约350 N，与YU等[20]在加载在跟骨距下关节面350 N应力的骨折跟骨模型位移(约0.64 mm)相似。考虑到模型的差异性，此次研究所建立的模型可以被认为是有效的。
1.5 主要观察指标三维组架螺钉内固定与微创钢板内固定有限元模型在同种载荷加载工况下表现出的模型各部分各方向上的最大位移和Von Mises应力分布，分析模型关节面各部分的应力分布和位移情况。常见生物医用钛合金材料屈服强度为600-1 000 MPa，抗拉强度为800-1 100 MPa[21]，内植物应力达到上述范围可能会出现内植物不可逆性形变或断裂。

讨论

此次研究使用有限元力学分析三维组架螺钉和微创钢板固定Sanders Ⅲ型跟骨骨折的生物力学差异。此次研究的量化结果可为外科医生在临床中选择骨折固定术式提供一些有意义的参考信息。
近年来，撬拨复位结合经皮螺钉内固定是临床探索微创治疗治疗Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的方向之一[22]。FENG等[23]的前瞻性对照试验中，经皮闭合复位螺钉组的效果几乎可以达到跗骨窦切口钢板组，手术时间、伤口相关并发症和距下关节活动度方面均优于钢板内固定组。彭亮等[24]采用关节镜技术联合经皮撬拨复位螺钉内固定治疗了1例合并糖尿病的跟骨骨折，并认为该术式可以减少出现切口感染等并发症的可能。李景光等[25]、廖文利等[26]分别在临床实践中发现撬拨复位螺钉内固定可以降低术后钢板外露、切口愈合不良、皮肤坏死、伤口感染以及腓肠神经损伤等多种伤口并发症的发生率。
基于应力的骨科生物力学分析可以为外科医生选择合适的植入物提供有意义的数据参考。在给定荷载条件下，应力大小关系到结构的安全性。在此次研究中，对距骨顶端施加垂直应力后，2种内固定模型表现出良好的固定效果，有效降低了骨折块的峰值应力与平均应力。从结果来看，螺钉上的应力大小主要受螺杆插入位置的影响。跟骨应力主要集中在前中后距下关节面周围，在2种内固定情况下，靠近距下关节面的螺钉则可以分担更多的应力。三维组架螺钉因其结构设计，6枚螺钉均可对距下关节面提供强有力的支撑作用，应力分布更加均匀，微创钢板跟骨结节处的2枚螺钉距离距下关节面较远，无法有效发挥分担应力的作用，Y4螺钉处出现的应力集中提示了内植物固定失效的潜在风险，但螺钉上的峰值应力并不足以达到医用钛合金植入物材料的屈服极限强度，且在高周疲劳条件下医用钛合金表现出的良好抗疲劳性能和耐久力也表明了所有内植物的构建都是基本安全可靠的[27]。为了评价三维组架螺钉内固定的稳定效果，作者测定了固定后骨折块移位的距离，2种模型的最大位移均位于后距关节面内侧，这与QIANG等[28]和HUANG等[29]所报道的结果相符。微创钢板内固定模型骨块的垂直与横向位移较大，因为微创钢板内固定条件下靠近跟骨后突的螺钉无法提供足够的抗位移效果，Y4钉周围骨块承受较大的负担导致骨块出现较大幅度的垂直与横向位移，这可能会导致距下关节面更加不平整。三维组架螺钉内固定模型的足后方指向足前方的3枚长钉将微创钢板从跟骨外部提供的冠状面间接固定作用力变为跟骨内部的直接固定作用力，以及三维组架螺钉系统在后距下关节面下的3枚螺钉构成的排钉结构使其拥有更好的垂直与横向固定效果。根据图4观察，三维组架螺钉内固定在载距突处有较大的间隙，由于没有微创钢板内固定模型在矢状面的钢板-螺钉一体化结构优势，三维组架螺钉内固定模型的前突骨块与内侧骨块之间的纵向位移较大，使得微创钢板内固定在矢状面纵向位移比三维组架螺钉内固定具有更好的稳定性。
根据上述结论作者提出：在微创钢板内固定术式中，距下关节面的固定应作为重点关注部分；该类术式应在临床现有基础上加强此处的固定强度以增加距下关节面处的垂直稳定性及横向稳定性。三维组架螺钉内固定术式则应该在纵向稳定性上做出改进，更加有效地利用骨质坚硬的载距突，为螺钉固定点提供更加优质的把持力，降低在患者长期固定的过程中出现骨块纵向位移的可能性。
此次研究存在以下不足：①与OUYANG等[30]研究的Sanders Ⅱ型跟骨骨折动态模型有限元分析相比较，此次研究模型的设计属于静态模拟，不能完全反映跟骨运动过程以及在运动过程中应力和形变的变化；②模型设计方面，未将肌肉及韧带的影响在此次研究的三维有限元模型中体现；③Sanders Ⅲ型跟骨骨折涉及到多个骨骼片段，模型复杂度较高，作者进行了详细的几何建模和材料特性输入。但是在实际情况下，由于CT扫描和骨折缝隙等因素，模型的精度有时难以保证。因此，在今后的研究中需要进一步探讨和改进有限元分析技术，以更精确地模拟跟骨在运动过程中的应力和形变变化。
综上所述，作者课题组在前期临床验证的基础上通过有限元分析方法对比分析了Sanders Ⅲ型跟骨关节内骨折经皮微创三维组架螺钉内固定及跗骨窦切口结合微创钢板内固定的力学稳定性，发现了不同内固定状态下Sanders Ⅲ型跟骨骨折的形变及应力变化趋势。证明了虽然两类术式各有优缺点，但在生物力学上三维组架螺钉内固定与微创钢板内固定总体可达到相似的固定效果。三维组架螺钉内固定的操作方法无需明显的切口与大面积的皮下组织分离，提供了软组织保护，降低了患者术后并发症发生率并缩短了术后恢复时间，是较为推荐的内固定术式。由于此次实验模型非动态、简化软组织等不足之处，无法高精度模拟还原跟骨真实受力情况，仅能从实验角度描述模型的力学稳定性，但此次实验内容的趋势结果基本与真实情况相符合，补充了单纯螺钉内固定治疗Sanders Ⅲ型跟骨骨折在生物力学方面研究的空白，对临床具有一定的参考意义。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

三维组架螺钉与微创钢板固定Sanders Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析

Finite element analysis of three-dimensional frame screws and minimally invasive plate for fixation of Sanders III calcaneal fractures

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