三维有限元分析钢板踝关节融合后的力学稳定性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0036

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

踝关节炎：踝关节是人体内比较为复杂的关节之一，承载着人体负重以及行走的功能。临床上引起踝关节持续疼痛的病因主要包括踝部骨折后发生的创伤性关节炎、类风湿性关节炎以及退行性骨关节炎等。

踝关节融合术：是一种导致踝关节骨性强直的手术，可以缓解踝关节严重病损所带来的疼痛，阻止病变进一步加重，恢复患肢负重行走功能，已成为治疗终末期踝关节病变的金标准。

摘要

背景：目前钢板踝关节融合方式主要包括前侧钢板及外侧钢板踝关节融合，但针对上述2种固定方式对比的生物力学研究未见报道。

目的：通过三维有限元技术分别建立前侧及外侧钢板踝关节融合三维有限元模型，模拟人体步态，分析其生物力学稳定性及安全性。

方法：基于正常人体踝关节CT图像重建踝关节几何形态，应用限元分析软件Abaqus 2016建立前侧钢板及外侧钢板踝关节融合模型，分别给予模型施加内旋、外旋、背屈、中立4种应力，分析其生物力学变化。

结果与结论：①三维有限元生物力学分析对比2种踝关节融合模型在不同应力下的最大位移及应力分布情况，在固定稳定性上两者并无明显差异；②外侧钢板融合模型在对抗内旋及背屈应力时稍好于前侧钢板，外旋应力时反之，峰值都集中于钢板螺钉结合处；③前侧钢板模型在对抗内旋应力时钢板、螺钉及骨质应力峰值最大，存在断钉及断板的可能；④外侧钢板在对抗外旋应力时出现最大应力峰值。

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
ORCID: 0000-0002-0616-9347(谢强)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 踝关节炎, 踝关节融合, 三维有限元, 钢板, 螺钉, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Plating ankle arthrodesis includes anterior and lateral plating methods, but there is some lack of knowledge about their differences in biomechanics.

OBJECTIVE: To establish the three-dimensional models of anterior and lateral plating ankle arthrodesis through three-dimensional finite element technique, simulate human gait, and to analyze its biomechanical stability and safety.

METHODS: The geometrical morphology of ankle joint was reconstructed based on the normal human ankle CT data. The models of anterior and lateral plating ankle arthrodesis were established using finite element analysis software Abaqus 2016, and the biomechanical changes after exerting stress at the positions of intorsion, extorsion, dorsiflexion, and neutral were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximal displacement and stress distribution under different stress were compared between two models by three-dimensional element analysis, and there was no significant difference in the stability between two models. (2) The abilities of resistance to intorsion and dorsiflexion stresses of the lateral plating model were slightly better than those of the anterior plating model, but the resistance to extorsion stress of the lateral plating model was lower than that of the anterior plating model; the stress peak both concentrated on the plate-screw connections. (3) The plate, screw and bone mass of the anterior plating model showed the maximum stress peak under intorsion stress, and broken plates and nails usually occur. (4) The lateral plating presented with peak stress under extorsion stress.

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Key words: Ankle Joint, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

谢强，王智慧，刘文一，高云峰，薛鑫鑫. 三维有限元分析钢板踝关节融合后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(3): 392-397.

Xie Qiang, Wang Zhi-hui, Liu Wen-yi, Gao Yun-feng, Xue Xin-xin. Mechanical stability after plating ankle arthrodesis based on three-dimensional finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(3): 392-397.

图/表（结果） 3

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引言

目前踝关节融合术是治疗终末期踝关节疾病的金标准^[1]，经过手术治疗后患者疼痛的症状得到缓解并进行适当的活动，踝关节融合的手术方法、入路及固定方式有40多种^[2-7]，比如踝关节加压螺钉内固定、钢板内固定、髓内钉固定及外固定支架固定，但各自有其优缺点。外固定架固定可根据患者的病情变化随时调整，但会造成患者术后生活不便，胫距跟髓内针固定，螺钉固定创伤小但螺钉固定加压角度不好掌握，髓内针固定对骨质疏松严重的患者，则缺乏有效强度，容易出现内固定松动，影响融合率，钢板固定可以在远近端打入多枚螺钉，显著增加固定强度。虽然踝关节融合术已成一种比较成熟的治疗方式，但既往史文献报道的不愈合率仍较高，成为困扰踝关节融合是否成功的主要困难^[8]。近年来随着锁定钢板技术的长足发展，锁定钢板在关节融合领域有了广泛应用，比如早期Glenn等^[9]使用传统薄刃钢板用于胫距关节的加压融合，Ahmad等^[10]使用肱骨近端锁定钢板用于踝关节融合，锁定钢板能够保证融合固定的角度，增强固定强度，固定效果佳。有一些学者提出在螺钉固定融合的基础上增加前侧钢板固定可以增加融合部位的稳定性^[11-12]。目前钢板踝关节融合方式主要有2种：前侧钢板及外侧钢板踝关节融合。但针对上述2种固定方式对比的生物力学研究未见报道，因此获得踝关节融合后最优的固定稳定性已成为足踝外科研究的重点课题。
文章通过三维有限元技术分析两种固定方式的内在生物力学特性，对比并分析其各自的优缺点，为以后的临床实践提供可靠的理论基础。

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材料方法

1.1 设计 三维有限元分析。

1.2 时间及地点 于2017年1月在承德医学院附属医院完成。

1.3 对象 选择1名正常成年男性志愿者，相关指标正常，排除踝关节外伤等其他相关病史后，试验过程已向志愿者告知，本试验方法符合医学伦理学标准。

1.4 方法

1.4.1 数据采集对志愿者的右足踝部64排螺旋CT平扫，层厚0.45 mm，断层图像数据以DICOM格式输出保存。

1.4.2 建立正常人踝关节三维有限元模型利用Mimics 17.0软件(Materialise公司，比利时)读取收集到的DICOM格式图像数据，对需要建立的骨组织区域行图像分割，建议初始踝关节三维结构，并将其型输出为STL面网格文件。将STL面网格文件导入Ansa(BETA公司，希腊)软件中，对其进行几何重构与清理，并进行网格剖分、材料、接触、约束、载荷等设置，导出用于求解的INP关键字数据。将INP文数据递交给Abaqus 2016(达索SIMULIA公司，法国)有限元分析软件中进行求解，得到ODB文件，最后利用Abaqus/ Viewer进行最终处理，得到踝关节三维几何模型。此外，利用Abaqus软件实体建模功能，将螺钉进行简化，忽略螺纹并以直径6.5 mm的圆柱体代替螺钉主干，同时螺钉长度根据实际情况进行调整。应用此软件将踝关节融合钢板(厦门大博医疗器械有限公司提供，中国)进行简化重建。

1.4.3 前侧钢板踝融合及外侧钢板踝关节融合模型建立根据研究需建立2种踝关节融合固定术式的有限元模型，在模拟钢板螺钉固定的过程中，参照既往手术，确定踝关节融合最佳位置，分别模拟腓骨去除、胫距关节面软骨截骨以及钢板螺钉固定等操作^[13-14]，钢板的远近端分别打入3枚螺钉^[15]。

前侧钢板模型：取前侧入路，清除胫骨远端及距骨穹窿部软骨及软骨下骨组织，截骨并修整成上下2个平行的松质骨接触面，纠正下肢对位对线，选择前侧钢板置于胫骨远端贴服良好，维持胫距关节待融合位，融合远近端分别打入3枚螺钉并进行固定，建立前侧钢板踝关节融合模型，如图1。

外侧钢板模型：经外侧入路，横断切除腓骨远端部分，撑开胫距关节面，清除远近端软骨及软骨下骨组织，截骨成上下2个平行的接触面，选择外侧钢板，在最佳融合位置并进行钢板螺钉固定，建立外侧钢板踝关节融合模型，如图2。

1.4.4 单元划分与材料参数赋值本研究采用Abaqus/ standard中修正的二阶四面体单元(C3D10M)，钢板和螺钉均采用缩减的六面体单元C3D8R，进一步对骨融合面进行局部网格细化后得到踝关节融合钢板内固定的网格模型，具体有限元模型的网格统计信息，见表1。骨性结构模拟为各向同性的线弹性材料，骨与螺钉的材料特性参数参照文献确定^[16]，具体见表2。

1.4.5 定义接触边界条件及载荷：本研究对螺钉的几何模型进行了简化处理，因此为模拟螺纹部分的加压作用，螺纹与距骨之间的接触面以及螺钉上段与胫骨接触面均设置为tie约束，余接触部分设置为硬接触，摩擦因数取0.15；胫距融合面摩擦因数为0.7；其余对结果影响小的接触部位均定义为无摩擦的硬接触^[17]。依据人行走状态下的实际活动情况，分别模拟踝关节内旋、外旋、背屈及中立4种状态下所产生的作用力。模拟融合固定术后的4种运动工况下的受力状况参考文献数据^[18]，见表3。
1.5 主要观察指标 本研究主要从融合的固定稳定性及安全性两个方面来评价2种固定方式。稳定性是评价固定方式优劣的重要依据，融合面的最大位移是反映固定稳定性的重要指标。另一方面对于安全性的评价，本研究以分析钢板、螺钉、骨骼的应力峰值及应力分布情况作为主要评价指标，由于胫骨近似为长轴圆柱状结构，容易形成杠杆的力臂效应，因此固定材料及骨骼的应力分布情况及应力峰值可以间接反映融合后期出现钢板螺钉断裂甚至应力性骨折的风险。

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讨论

有限元分析技术于1972年首次用于骨科领域研究^[19]，自此后在骨科领域得到广泛应用，Spyrou等^[20]首次建立了包括胫腓骨远端的正常人踝关节三维有限元模型，有限元仿真模型的力学性质稳定，可反复模拟使用，不仅可以精确表达复杂解剖结构和材料属性的研究对象，还可以模拟各种传统生物力学实验无法实现的工况。其不仅可以进行静态研究，还可进行动态分析研究，研究者可以获得普通实验难以获得的数据，以便用于生物力学的研究。

本研究通过采集正常人踝关节CT图像数据，经相关软件处理成功建立起正常人踝关节三维有限元模型，并在此基础上进行了踝关节融合的模拟手术，成功建立两种不同的踝关节融合模型：前侧钢板踝关节融合模型和外侧钢板踝关节融合模型。从结果上看，所构建的有限元模型能从不同角度充分获取空间信息，而模拟固定的效果符合临床实际，具有较高的仿真度和有效性。

本研究通过模拟踝关节内旋、外旋、背屈及中立4种状态下所产生的作用力，在外力作用下踝关节融合面将会产生一定程度的形变，形变大小将影响踝关节融合的效果，在此次研究中发现，外侧钢板融合模型在对抗内旋及背屈应力时融合面位移值相对前侧钢板融合模型较小，说明在对抗内旋及背屈应力时外侧钢板要优于前侧钢板，而在对抗外旋应力时则反之，所以在固定稳定性上两者并无明显差异，通过分析应力分布情况及应力峰值，发现应力峰值多集中于钢板螺钉结合处以及钢板的中部，骨骼应力分布相对比较均匀，前侧钢板模型在对抗内旋应力时钢板、螺钉及骨质应力峰值达到最大，存在断钉及断板甚至应力性骨折的风险，外侧钢板在对抗外旋应力时出现最大应力峰值，在设计钢板及螺钉的过程中尽量在钢板中部及融合面部位加强钢板厚度，增加钢板强度，在螺钉与钢板结合处设计为锁定模式，加强固定效果，从而增加固定强度，在临床术后固定方面对于钢板固定术式要注意加强踝关节旋转运动的固定，在融合后日常生活中也要注意避免崴脚等以免造成断钉断板甚至应力性骨折的后果。

关节融合最早在1879年被Albert^[21]首次报道以来，一直是治疗终末期踝关节炎及严重畸形的金标准，可明显缓解疼痛，纠正畸形，改善行走功能。迄今为止，置入内固定行踝关节融合的相关报道比较多见，螺钉内固定具有融合率高、并发症少等优势，更容易被患者所接受，已成为踝关节融合的标准术式。为避免螺钉内固定出现踝关节前方屈曲不稳定，有学者提出加用前侧钢板来加强内固定效果^[22]，近年来随着锁定钢板的长足发展，锁定钢板被广泛应用于关节融合术中，在踝关节融合术中，无论采用前方钢板、经外侧钢板都取得极高的踝关节融合率^[23-24]，但对于钢板固定融合的生物学研究，鲜见报道。本研究通过三维有限技术成功建立踝关节融合模型，并在此基础模拟2种钢板踝关节融合术式，经力学分析两者之间并无明显差异。在本试验中建立起的有限元模型用于足踝部生物力学分析具有较高的可行性和有效性。但仍存在一定的局限性：①两种模型在不同应力下融合面位移存在一定差异，但目前尚无文献报道融合面位移得确切数字范围对融合效果产生影响，因此该位移值只能作为本实验中的对比参考；②在本研究模型中去除了腓骨及周围软组织，忽略其对限制踝关节运动的影响，所以与真实情况仍存在一定程度的差异；③在本研究中将螺钉及钢板简化，忽略了螺钉加压固定的效果；④本研究忽略了骨质条件对螺钉固定效果的影响，因此尚需进行进一步的系统研究予以明确。

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