胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.015

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

踝关节有限元模型：参照既往相关研究方法，试验建立了可靠、有效的踝关节有限元模型，对于骨骼的模拟应对皮质骨、松质骨、骨髓腔分别赋予材料参数，但实际操作中却给单元网格的划分增加了难度，为了简化计算在准静态载荷下，骨及软骨可定义为均一、各向同性材料。足踝部韧带及腱膜在关节稳定及平衡中起了重要作用，大多将其看成线弹性、各向同性材料，以杆单元模拟连接骨骼端起止点。

胫骨远端骨折有限元模型：胫骨远端骨折较重，多出现骨折移位，关节面多受累。试验在踝关节有限元模型基础上，对不同种类胫骨远端骨折(Pilon骨折)进行模拟，分析不同关节面受累比例及骨折块高度与骨折移位程度的关系。

背景：传统足踝部生物力学研究具有局限性，由于踝关节结构极为复杂、活动度大，故对于踝关节有限元模型的建立及不同骨折类型的分析也极为困难。

目的：建立胫骨远端骨折模型并进行稳定性分析。

方法：收集成年人正常足踝CT数据，采用Minics软件对志愿者右足踝部关节进行三维重建，并进行有效性验证。通过Solidwork软件假设不同关节面受累比例及骨折块高度，并制作出相应的胫骨远端骨折模型。通过ANSYS软件应用有限元法进行骨折稳定性分析。

结果与结论：胫骨远端骨折模型符合相关文献数据，可进一步行有限元分析，关节面受累比例与骨折块高度与骨折移位呈显著正相关，即与骨折稳定性呈负相关。提示踝关节及胫骨远端骨折三维有限元模型建立成功、有效，胫骨远端骨折稳定性与关节面受累比例及骨折高度相关。

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:0000-0002-2453-8126(杨志刚)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 胫骨远端骨折, 踝关节, 有限元分析, 稳定性

Abstract:

BACKGROUND: Traditional studies on foot and ankle biomechanics have limitation. Ankle joint was complicated and had big range of motion, so it is difficult to establish finite element models and to analyze the type of fracture.

OBJECTIVE: To construct the finite element models of distal tibial fractures and analyze the stability.

METHODS: CT data of ankle were collected from a normal male volunteer and the three-dimensional reconstruction of volunteer was made by Mimics software, and the effectiveness was verified. The ratio of different joint involvement and height of fracture block were assumed with Solidwork software, and finite element models of distal tibial fractures were established. Fracture stability was analyzed by ANSYS software using finite element method.

RESULTS AND CONCLUSION: The distal tibia fracture model was consistent with the relevant literature data, and finite element analysis could be further conducted. The ratio of articular surface involved was positively associated with fragment height and fracture displacement, and negatively associated with fracture stability. These results indicate that the three-dimensional finite element models of distal tibial fractures were successfully established. Fracture stability was associated with the ratio of articular surface involved and fragment height.
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

Key words: Tibial Fractures, Ankle Joint, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

杨志刚，甘霖，叶俊星. 胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(17): 2540-2545.

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图/表（结果） 5

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引言

足踝在人们日常生活中占据着重要的地位，足踝部的正常功能可以增加人的活动范围，是人们正常生活的重要保证。足踝部损伤是日常生活中较多运动型损伤，随着骨科医学的迅速发展，人们对足踝部功能的重视程度也日益提高，足踝部是人体较为复杂的关节，承受人体全部的质量，骨骼形态不规则、组合复杂，承载人体活动较多，对于其生物力学研究极为困难^[1-4]。踝关节是人体下肢的一个大关节，具有运动功能，且参与机体负重，在运动性损伤中的发生率高达15%。踝关节各结构结合紧密，周围骨骼、韧带、软组织共同协作参与其力学功能，对于人体日常活动意义巨大^[5-6]。踝关节由于使用频繁，极易因各种创伤导致结构的不稳定，产生红肿、热痛等症状，后期可反复发生关节炎^[7]。

三维重建技术是当前生物力学领域的新技术，可以模拟实现现实中无法解决的问题,使用有限元法可对人体的复杂结构进行力学模拟研究。有限元法目前在医学领域具有极大的应用价值，传统力学研究对于复杂关节研究难以完成，而有限元法则可以较为精确的进行模拟，进而进行下一步实验^[8-11]。通过三维有限元模型可大幅降低生物力学研究的人力、财力，避免传统力学繁琐的计算过程，可重复实验并设定不同的条件假设，尤其在医学领域的优势明显。通过相关设备得出的三维图形可通过不同视角进行观察，并在计算机中完成各结构的拆分、组合，避免单纯标本观察的局限性，且能够获得多组结果进行对比分析^[12-15]。

文章为了进一步探索胫骨远端骨折的生物力学特性，对志愿者的踝关节进行三维重建，建立有限元模型，并对不同种类胫骨远端骨折(Pilon骨折)进行模拟，探讨影响其力学稳定性的相关因素，为临床相关疾病诊断及治疗提供依据。
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材料方法

1.1 设计三维有限元试验。

1.2 材料

资料数据：男性志愿者1名，26岁，身高175 cm，体质量66 kg，无足外伤史，影像学检查排除足部肿瘤、畸形等病变。

Brilliance 64排CT，参数设置：电压120 kV，电流240-300 mA，螺距1.375-1.750，层厚0.625 mm，矩阵512×512，曝光时间0.4 s/r。志愿者右足中立，自踝关节上10 cm处起始自胫腓骨远端向下扫描至足底，通过CT机获得足部横断面图片，共计456张(DI-COM格式)，刻录成光盘，保证图片洁净，转移过程中避免损害，该方式后续处理较为方便、快捷。

1.3 方法

1.3.1 三维重建采用Mimics 14.0(Materialise公司)软件对志愿者右足CT图像进行三维重建，输入图像数据，进行数据处理并建立模型,以CAD格式输出图形文件。采用图形处理软件，可通过三维编辑工具对复杂图像进行拆分，通过对各层次图像资料处理，可产生整体结构框架，并获得不同颜色标示的结构区域。三维重建过程可采用全自动的阈值及区域增长技术，应用编辑工具对各层次图像进行标注、修改操作，对在自定义区域研究可通过局部阈值化技术达成。最终将踝关节、腓骨、胫骨三维数据导入逆向工程软件Geogamic中。

1.3.2 踝关节模型有效性验证根据既往文献报道方法，将胫骨、腓骨、距骨、关节软骨等导入ANSYS进行装配，见图1；踝关节各部分材料属性见表1，建立踝关节三维有限元模型。在中立位对胫骨下端上截面施加600 N载荷，垂直加载，距骨施加约束，进行有效性验证。

1.3.3 胫骨远端骨折模型建立

后外侧型骨折：后外侧型胫骨远端后侧骨折常表现为后外侧的楔形骨折块，之前胫骨三维模型建立后，通过Solidwork软件假设不同关节面受累比例及骨折块高度，并制作出相应的骨折模型。不同关节面受累比例模型的制作，通过胫骨后内侧顶点与胫骨外侧凹面的1/2，1/3，1/4 等分点进行连线，采用Solidworks软件制作骨折线。参考Boraiah等^[16]相关研究报道，制作不同骨折块高度的模型，选择距离胫骨远端最低点2，3，4，5 cm处作骨折顶点，采用Solidworks软件制作模型，见图2A。以上模型均经有效性验证准确、有效。

内侧延伸型骨折：内侧延伸型胫骨远端骨折表现为内踝后丘部骨折。标记出胫、腓骨中心的连轴线，平行于连轴线平行切割内踝后丘部，制作内侧延伸型骨折模型。通过Solidwork软件假设不同关节面受累比例及骨折块高度，制作方法同上，通过胫骨后内侧顶点与胫骨外侧凹面的1/2，1/3，1/4 等分点进行连线；不同骨折块高度的模型制作同上，选择距离胫骨远端最低点2，3，4，5 cm处作骨折顶点，采用Solidworks软件制作模型，见图2B。模型经有效性验证准确、有效。

1.3.4 模型移位程度将前述制作成功的不同胫骨远端骨折模型导入到ANSYS软件，通过有限元法进行数据分析，骨折块设定为完全断裂，摩擦系数设定为0.2。距骨施加约束，踝关节设定为中立位承受全部质量，对胫骨下端上截面施加600 N载荷，垂直加载，软件分析获得骨折移位数据。

1.4 主要观察指标对有限元模型进行有效性验证，并分别模拟不同关节面受累比例及骨折块高度，分析其与骨折移位程度间的关系。

1.5 统计学分析研究数据采用SPSS 22.0统计学软件进行处理，相关性分析采用Pearson相关分析，线性回归分析不同关节面受累比例及骨折块高度与骨折移位的关系，检验标准取P < 0.05。

讨论

踝关节是由胫骨、腓骨下端关节面及距骨及软骨组织等组成，胫腓骨下关节面构成“冂”关节窝，其内容纳距骨滑车，关节头前宽后窄，在踝关节背屈活动时，关节较为稳定；而当踝关节跖屈时极易发生扭伤^[19-21]。胫骨远端、内外踝分别与距骨形成不同方向的关节，胫骨远端有一前后方向隆起的脊，嵌入距骨滑车，外踝长于内踝且后偏1 cm，胫骨前缘前凸的骨嵴突向腓侧，与后踝骨嵴包绕腓骨远端。踝关节通过周围骨、软组织及众多韧带作用保证了其稳定性，活动时不会发生脱位^[22-25]。

在医学领域，三维重建有限元分析是利用数学近似的方法对人体复杂结构进行模拟分析，其利用单元作为分析主体，通过对有限数量的模型数据进行分析，无限接近真实的本体结构。由于踝关节结构极为复杂、活动度大，故对于踝关节有限元模型的建立及不同骨折类型的分析也极为困难^[26-27]。参照既往相关研究方法，此次研究建立了可靠、有效的踝关节有限元模型，对于骨骼的模拟应对皮质骨、松质骨、骨髓腔分别赋予材料参数，但实际操作中却给单元网格的划分增加了难度，为了简化计算参照既往研究报道，在准静态载荷下，骨及软骨可定义为均一、各向同性材料。足踝部韧带及腱膜在关节稳定及平衡中起了重要作用，大多将其看成线弹性、各向同性材料，以杆单元模拟连接骨骼端起止点^[28-29]。

研究模拟的三维模型与真实人体踝关节结构及骨折特点相符合，后踝骨折是后踝部位的撕脱性骨折，韧带完整，较少波及关节面^[30]，胫骨远端骨折较重，多出现骨折移位，关节面多受累^[31]。研究结果证实建立的两种骨折模型均可靠、有效。Macko等^[32]研究通过压敏片等方法研究了1/2，1/3，1/4大小的胫骨远端后外侧骨折模型的关节面，与此次研究结果相一致，差异无显著性意义，存在的差异可能是由于有限元模型模拟的骨和韧带材质属性出现差异，且骨折后相关韧带的力学特性出现改变，模型并不能完全模拟准确，且人为操作的主观性也进一步扩大了研究中的差异。有学者研究了内外侧韧带断裂时10%，20%，30%，40%大小的骨折块对骨折移位的影响^[9]，也与作者研究结果基本一致，差异无显著性意义。此次研究建立的踝关节模型及模拟的两种胫骨远端骨折模型有效，可进行下一步研究。

研究结果表明，关节面受累比例与骨折块稳定性高度正相关。关节面受累越多比例增大，骨折块承受的应力也就相应增加，产生的移位就越大，骨折趋于不稳定；骨折块高度与骨折块稳定性也呈高度正相关，骨折高度增加，加大了所承受的剪切力，骨折稳定性越差。关节面受累比例反映了关节软骨压强情况，受累比例大，相应软骨承受压强增大，正常的胫距关系改变，正常受力结构的受力发生改变，被迫应力的长期增加有导致创伤性关节炎的风险。因此，关节面受累比例不仅体现了骨折的稳定情况，也可对骨折的预后及并发症的预防提供有效帮助。胫骨远端骨折稳定性与关节面受累比例及骨折高度相关，但其测量技术仍需要进一步探索及优化，以期为胫骨远端骨折患者提供更加科学的量化指标。

研究为胫骨远端骨折稳定性的影响因素提供了初步有限元研究结果，为进一步进行不同内固定方式的比较提供了理论依据，而关节面受累比例、骨折高度等数值随着CT技术的发展也可以在实践中精确测量，为评估胫骨远端骨折稳定性提供了量化指标。此次研究未对关节面受累比例及骨折块高度的混合情况进行试验，将在后续研究中进一步探索。
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