前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.35.020

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

踝关节：是身体重要的承重关节之一。在行走过程中，踝关节对力的传导机制复杂，体位稍稍变换就会改变整个踝足关节的应力分布。临床上，踝关节扭伤非常多见，有些损伤如果不及时治疗，最终会导致踝关节的慢性失稳、创伤性关节炎等。

关节融合：是一种导致关节骨性强硬的手术。当踝关节强直时，无疼痛及明显畸形，仍可步行和完成各种劳动，且手术对外观无甚影响，融合后丧失的功能可由跗中关节部分代偿，故术后效果多较满意，容易为患者接受。踝关节融合术是终止病变，解除疼痛，纠正畸形并提供关节稳定的有效手段，虽然其存在一定的弊端，如不愈合和畸形愈合会影响疗效，但是仍被视为严重受损踝关节的标准治疗方法。

摘要

背景：终末期踝关节炎常导致患者踝关节持续性疼痛，严重影响患者生活质量，经保守治疗症状未见好转者需经外科手术治疗，踝关节融合是治疗终末期踝关节炎的金标准。

目的：通过三维有限元相关软件分别建立前侧钢板踝关节融合模型，在此基础上结合1枚后外侧螺钉，模拟人体步态，分析前后模型的生物力学变化。

方法：将采集到的正常人踝关节CT图像数据导入相关软件，建立正常人踝关节三维有限元模型，经相关软件处理，模拟踝关节融合，在此基础上分别建立单纯前侧钢板踝关节融合模型及前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型，模拟踝关节4种活动模式(中立位、背屈位、内旋位和外旋位)时的受力状况，进行生物力学有限元分析。

结果与结论：通过三维有限元分析对比前后两种模型融合面的最大位移、应力峰值及应力分布情况，发现两者存在显著性差异，钢板结合后外侧螺钉模型较单纯钢板模型在内旋、外旋、背屈应力位时最大位移及应力峰值明显降低，中立位时两者无变化，应力分布情况两者无明显变化，钢板结合后外侧螺钉模型较单纯钢板模型明显增加了融合稳定性及安全性。

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, 创伤性踝关节炎, 踝关节融合, 三维有限元, 钢板, 后外侧螺钉, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: End-stage ankle arthritis will cause sustained pain of the ankle joint, which severely affects patients’ life quality. Surgical treatment is necessary when conservative method is invalid, and ankle fusion is the gold standard for end-stage ankle arthritis.

OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of ankle fusion by anterior plating, followed by a posterolateral screw, thus analyzing the biomechanical changes.

METHODS: CT data of normal people were imported into the relevant software to establish a three-dimensional finite element model of the ankle, and simulated ankle fusion by software processing. Subsequently, the models of ankle fusion by anterior plating system and combined posterolateral screws were established, and a three-dimensional finite element analysis was performed under neutral position, dorsiflexion, intorsion and extorsion.

RESULTS AND CONCLUSION: The maximum displacement and stress under dorsiflexion, intorsion and extorsion in the combined model were significantly decreased compared with the simple model, and the values under neutral position showed no significant changes in the two methods. Additionally, the stress distribution did not differ significantly between two models. To conclude, plates combined with screws significantly improve the stability and safety of fusion.

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Key words: Osteoarthritis, Finite Element Analysis, Internal Fixators, Biomechanics

中图分类号:

R318

谢强. 前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(35): 5697-5702.

Xie Qiang. Ankle fusion by plating through an anterior approach followed by posterolateral approach: a three-dimensional finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(35): 5697-5702.

图/表（结果） 5

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引言

踝关节陈旧性骨折、距骨骨折、距骨坏死及距骨肿瘤等疾病，终末期常并发严重关节炎，导致患者持续性踝疼痛伴骨性结构畸形。对于晚期的踝关节创伤性关节炎患者来说保守治疗效果很难达到满意，需行手术治疗，手术的方式包括踝关节置换和踝关节融合。近年来踝关节置换技术得到了很大改进和完善，但其适用证较小，术后患者不能进行剧烈活动，长期甚至出现感染、假体松动等并发症，在临床应用范围有限^[1-2]。关节融合术能够有效终止病变、消除或减轻患者症状、矫正畸形、稳定关节及改善功能，仍被广大骨科医生视为治疗许多终末期踝关节病变的“金标准”^[3-5]。

目前踝关节融合的固定方法很多，主要包括加压螺钉内固定、髓内钉固定、外固定支架固定及钢板内固定，但仍存在5%-37%的不愈合率^[6]。既往研究显示，螺钉固定在融合率以及并发症控制方面具有较大的优势^[7]，尤其是3枚加压螺钉固定发被广泛应用^[8]。Holt等^[9]研究发现，在完成胫距骨修整后，应首先打入后方螺钉至距骨颈，可获得最佳加压固定。Ogilvie等^[10]指出，3螺钉固定时，首先打入外侧螺钉获得的加压效果最佳，可见在螺钉固定中后外侧螺钉发挥了重要作用。近年来随着锁定钢板的出现和发展，锁定钢板被应用于踝关节融合术中，生物力学实验证实，前钢板内固定可有效减少踝关节融合界面微动，有利于骨性愈合。那么锁定钢板结合后外侧螺钉能否产生更好的固定效果，尚未知晓。Clifford等^[11]报道钢板结合1枚加压螺钉能显著提高力学强度，但对于这种联合固定方式的生物力学研究，未见报道。文章通过三维有限元分析方法来研究两种固定方式的生物力学特性，为优化踝关节固定提供一种更好方案，为进一步临床研究奠定理论基础。

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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 试验于2017年2月在承德医学院附属医院完成。

1.3 对象 选取1名健康成年男性志愿者，所有指标都正常，除外踝关节外伤等其他相关病史，志愿者对试验过程已了解，并签订试验相关告知书，试验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左踝关节行CT平扫，断层图像数据以DICOM格式输出保存。

1.4.2 建立正常成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，利用阈值分割法对需要建立的骨组织区域行图像分割，建立初始踝关节三维结构，并将其输出为STL面网格文件。再将其导入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 前侧钢板踝融合及前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型建立根据研究需先建立前侧钢板踝关节融合固定术式的有限元模型，在此基础上打入1枚后外侧螺钉，建议前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型，参照既往手术，置踝关节于屈曲0°、外翻5°-10°、外旋5°-10°及距骨轻度向后移位下行钢板螺钉固定，钢板的远近端分别打入3枚螺钉^[12]。

前侧钢板踝关节融合模型：取前侧入路，暴露踝关节间隙，去除软骨及软骨下组织，修整成上下2个平行的松质骨接触面，调整置踝关节融合最佳位置后行钢板螺钉固定，建立前侧钢板踝关节融合模型，如图1。

前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型：在前侧钢板踝关节融合模型基础上，在踝关节的后外侧向前侧内侧打入1枚后外侧螺钉，具体在腓骨与跟腱的中线向距骨头及距骨颈方向，最大限度贯穿距骨^[14]，螺钉贯穿距骨最长直径^[13]，建立前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型，如图2。

1.4.4 单元划分与材料参数赋值在本研究中骨质采用baqus/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。有限元模型的具体网格统计信息，如表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既往文献确定^[14]，具体见表2。

1.4.5 确定接触边界条件及载荷由于螺钉的螺纹部分已进行简化处理，为模拟螺纹部分产生的加压预紧作用，螺纹与骨质的接触面均设置为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^[15]。依据人行走状态下的实际活动情况，参照既往实验经验模型踝关节内旋(转矩10 N•m) 、外旋(转矩10 N•m)、背屈(弯矩10 N•m) 及中立(垂直2 100 N•m)4种状态下所产生的作用力，具体数据参照文献确定^[16-18]。

1.5 评价标准 坚强的固定是评价踝关节融合的重要因素，本研究通过分析融合面的最大位移作为评价固定稳定性的重要指标，通过分析本钢板、螺钉、骨骼的应力峰值及应力分布情况来评估固定安全性的重压数据。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。

1.6 主要观察指标 ①两种融合模型加载后融合面发生的位移；②两种融合方式加载后的应力分布及峰值。

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讨论

随着计算机技术的飞速发展，有限元分析法逐渐被广泛应用于生物医学领域，它不仅可以和传统的生物力学研究互相补充和相互验证，而且具有用时少、费用低、力学性能测试全面及可重复实验等特点，优势远超于传统的电测、光弹、全息照相等研究手段^[19]，近些年有限元技术也被越来越多地应用于踝关节生物力学的研究^[20-26]。

本研究通过收集正常人踝关节CT图像数据，经相关软件处理，建立正常人踝关节三维有限元模型，模拟两种踝关节融合术式，仿照人体步态，分别给予内旋、外旋、背屈、中立4种应力，分析两者在踝关节融合面最大位移，应力峰值及应力分布情况，对比发现前侧钢板结合后侧螺钉后，可显著降低融合面位移，增强融合固定强度，应力峰值显著降低，降低了因应力集中引起断钉、断板甚至应力性骨折的风险。

坚强内固定和融合面的紧密接触是踝关节融合成功的两大关键因素，同时也是融合过程中人为可控的两个重要因素。无论采用螺钉、髓内钉、外固定架甚至钢板等内固定材料都是在尽可能的增大融合面的固定情况加融合面加压效果。近些年随着锁定钢板技术的发展，钢板固定被应用于踝关节融合术中，在临床上发现钢板加压的效果比较好，并且固定比较牢靠，早期也可以活动患者的相邻关节，有效避免患者关节僵硬能增大^[27]。无论是前侧钢板还是外侧钢板固定并不能在对抗不同方向应力时保持高强度的固定及加压。Clifford等^[11]报道钢板结合1枚加压螺钉叫单纯钢板能影响提高力学强度，本研究结果与此报道相一致，因此，前侧钢板结合后外侧螺钉能明显提高固定强度及降低应力峰值。

但本研究还存在诸多不足：①本研究忽略了螺钉及钢板的加压效果对融合面位移的影响；②未考虑软组织条件比如韧带，肌肉等对踝关节的影响；③骨质条件与螺钉固定松动密切相关，忽略了骨质疏松对螺钉固定稳定的影响。因此，此种固定方式在临床的应用还需后续进一步的研究。

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