跟骨的三維有限元模型研究及臨床應用

張勇，阿良，張樂，季英楠

（沈陽醫學院附屬中心醫院骨外二科，沈陽 110024）

跟骨的三維有限元模型研究及臨床應用

張勇，阿良，張樂，季英楠

（沈陽醫學院附屬中心醫院骨外二科，沈陽 110024）

目的建立跟骨三維有限元模型及內固定模型并進行受力分析。方法螺旋CT掃描1例體質量75 kg正常男性右側跟骨，數據導入Mimics10.01軟件建立完整跟骨三維有限元模型。應用ANSYS?R14.5三維有限元分析軟件包對兩種不同內固定后的跟骨有限元模型進行應力分布研究。結果跟骨三維有限元模型及內固定模型建立成功，受力分析表明，應力集中于跟骨后側關節面及內置物。結論跟骨后關節面處內置物應力分布集中，臨床工作中應重視后方關節面及跟骨結節的有效固定，植骨在力學角度是沒有必要的。

跟骨骨折；三維有限元；植骨

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跟骨骨折約占全身骨折的2%，是最常見的跗骨骨折，占足部骨折的60%［1］。受傷機制多由高能量損傷引起，其中以墜落傷為主，絕大多數跟骨骨折波及跟骨后關節面即跟距關節，是一種嚴重而復雜的創傷，治療困難，預后情況難測。本研究從生物力學角度對跟骨受傷機制及治療進行研究，期待對臨床工作起到輔助作用。

1　材料與方法

1.1建立跟骨三維有限元模型

選取1例正常男性志愿者，30歲，身高175 cm，體質量75 kg，無足跟痛及外傷史，X線片檢查未見右足骨質異常。對志愿者右跟骨進行西門子256排螺旋CT掃描。將CT數據導入到Mimics10.01軟件，建立跟骨三維有限元模型。

1.2建立內固定三維有限元模型

在試驗中使用的內固定材料選取兩種目前臨床廣泛應用的不規則型醫用鈦合金跟骨支撐鎖定板與直型重建鎖定板。通過生產廠家獲得鈦合金支撐板與直型重建板的基本數據。賦予鈦合金板彈性模量（E=110 Gpa）和泊松比（V=0.34），建立模型。由于釘板結構復雜，在不影響研究結果的情況下對釘板模型進行簡化，將螺釘設定為各向同性均質彈性體，根據螺釘直徑將螺釘設置成直徑3.5 cm的規則圓柱體，其彈性模量和泊松比與鈦合金板相同。

1.3受力分析

將建立好的跟骨模型和鈦合金板模型分別導入到SolidWorks里進行修整。根據本研究男性志愿者跟骨實際大小選擇合適鈦合金板，按照臨床習慣，將鈦合金板放置于跟骨模型的外側。螺釘的方向垂直于鈦板，長度達到跟骨內側皮質。以ANSYS?R14.5三維有限元分析軟件包對跟骨模型及內置物模型進行力學分析。根據QCT資料賦予模型中各種結構相應的材料參數，共有50種彈性模量，從25～10 000 MPa，泊松比為0.3。因跟骨后關節即距下關節為主要承重關節，因此本研究中至少滿足跟骨后關節下方有2枚螺釘進行支撐。跟骨附著肌肉眾多，在未負重情況下主要受力來源于跟腱牽拉力［2］，因此本研究模仿的受力模型假定跟骨結節為約束面，分別對跟骨中、后關節面進行施力，加載力量2 000 N。

2　結果

2.1跟骨有限元模型和內置物模型建立結果

通過Mimics10.01軟件建立完整的跟骨及內置物三維有限元模型，其中跟骨模型共有82 682個節點，47 038塊單元，模型正確性經過實體檢驗（圖1）。將建好的跟骨模型和內置物模型導入到Solid?Works軟件，得出跟骨及鈦合金內置物組合模型（圖2）。

圖1　跟骨有限元模型Fig.1　Finite element model of the calcaneal

圖2　跟骨及內置物組合模型Fig.2　Combined model of calcanus and implant

2.2受力分析結果

通過ANSYS?R14.5三維有限元分析軟件包對跟骨模型及內置物模型進行力學分析，跟骨模型平均應力值不足1 MPa，最大應力值為79.47 MPa，分布于跟骨結節。不規則型內置物最大應力值為29.61 MPa，分布于跟骨結節處螺釘，直型內置物最大應力值為8.76 MPa，分布于最后側螺釘。2種內置物與跟骨相比應力更為集中。見圖3～6。

圖3　 跟骨應力分布圖Fig.3　Stress distribution of calcaneus

圖4　不規則內置物應力分布圖Fig.4　Stress distribution of irregular implant

圖5　模型約束點及受力面圖Fig.5　Model constraint and stress surface

圖6　直型內置物應力分布圖Fig.6　Stress distribution of vertical implant

3　討論

跟骨骨折是最常見足踝部骨折，多由于垂直暴力引起。暴力發生時，力量通過上方覆蓋的距骨傳導，直接作用于跟骨上方關節面。而跟骨的上方關節面從解剖上可以分為前、中、后3個關節面，其中后關節面被跟骨溝與前、中關節面分開，面積最大，是主要的承重關節面。中關節面的載距突與前上方距骨的中關節面形成中關節；前關節面是由距骨的前方與跟骨前結節接觸面形成，研究［3］表明部分人的前關節面退化。因此，跟骨的主要承重垂直暴力的關節面為中關節面與后關節面。目前對跟骨骨折采用外科手術治療已經達成共識，手術方法包括切開復位內固定、撬撥復位螺釘內固定、微創距下關節下內固定等，根據不同骨折類型及臨床情況采用不同手術方式及內固定方式臨床效果參差不齊［4］。

跟骨的形態不規則，表面有許多隆起及溝槽，有許多血管神經及肌腱附著或通過，其中最為重要的是跟骨結節處的跟腱附著點，在不負重的情況下此處為跟骨的主要受力點，跟腱的向上牽拉力為主要受力。正常情況下跟骨體內骨小梁分配不均，跟骨后側骨小梁分布呈三角形，日常生活中為主要承重部位。本研究中采用跟骨結節為約束點，排除了跟腱牽拉力對本研究的影響，模擬未負重情況下探討跟骨關節面受力情況，可以更好地對跟骨及內固定模型進行受力分析。研究中分別對跟骨中、后關節面同時加力進行研究，從受力分析結果來看，當跟骨中后關節面受力時，應力集中于跟骨后側關節面下及靠近跟骨結節處，這與正常跟骨骨小梁分布及實際受力情況一致，其中附加內置物后，后關節面下螺釘以及約束點跟骨結節處螺釘應力分配集中，說明跟骨外側的內置物可以有效分擔垂直應力。研究［5］表明后關節面的表面積約500 mm2，研究中加載到后關節面的應力可達2 000 N，超過人體體質量3倍，滿足日常受力需求，實驗條件設定高于同類研究［6］。臨床上跟骨骨折多產生跟骨體后側壓縮骨折，后關節面下壓縮尤為嚴重，后關節面復位后其下方會產生骨缺失，對距下關節復位的維持要求較高。本研究表明距下關節的螺釘及外側的內置物鈦板應力分布集中，因此在臨床工作中應于后關節面下方盡可能植入與鈦板一體化的（即鎖定）螺釘，一方面可以起到支撐作用，另一方面也可以通過一體化有效將應力分散于外側鈦板甚至其他螺釘，減少應力過度集中。而后關節面下應盡可能多植入螺釘，以減少應力過度集中于1枚螺釘，并導致內固定物疲勞折斷的可能。研究同時還表明應力亦集中于跟骨結節處，這與實驗條件中將跟骨結節設為約束點有一定聯系，但同時也表明，跟骨受力后跟骨結節區也是應力集中區域，因此在處理跟骨骨折時，跟骨結節區的處理及有效固定尤為重要。從外踝下方微創切口，直接顯露距下關節并采用直型重建板固定是近些年臨床采用的微創治療跟骨骨折方法［7］，本研究對此種固定方式進行了力學分析。結果顯示，大量應力集中于直型重建板的后方幾枚螺釘，表明該方法在有效緩解跟骨后關節面應力的同時，內置物承受巨大應力，早期負重或在骨折未愈合前負重存在內置物過度疲勞風險，這是臨床工作應該注意的地方。關于跟骨手術時是否應該植骨的討論仍是跟骨治療的熱點問題之一［8?9］。本研究通過受力分析表明，由于跟骨多數為松質骨，跟骨體的受力分布相對均勻，并沒有發生應力過度集中的情況。無論進行何種內固定，后關節面下的固定螺釘均承擔了較多的應力。因此認為如果內固定確切，可以較好支撐后關節面骨塊的情況下，植骨在力學角度是沒有必要的。當然本研究僅限于力學分析角度，并沒有從后期的愈合情況進行分析。在存在嚴重骨缺損的情況下遠期是否會因此產生內置物周圍復位丟失，從而引起固定失敗也是存在可能的。

綜上所述，本研究采用三維有限元模型對跟骨骨折內固定方式進行分析是理想化基礎上的嘗試。設定的條件包括骨折解剖復位、固定足夠確切并受力時無移位出現。這與臨床實際相比過于理想化，因此想要獲得更為精確分析內固定對跟骨應力分布影響以及固定的確實度有待于大量的實體化生物力學研究。但不可否認，隨著有限元模型的不斷完善以及計算軟硬件的不斷發展，運用三維有限元方法配合臨床骨科研究必將會擁有更為美好的前景。

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（編輯武玉欣）

Three Dimensional Finite Element Model of Calcaneus and Its Clinical Application

ZHANG Yong，A Liang，ZHANG Le，JI Yingnan
（Department of Orthopedics，The Affiliated Hospital of Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China）

ObjectiveTo establish the three?dimensional finite element model and internal fixation model of calcaneus，so as to analyze the stress.MethodsThe right calcaneus of a normal male subjects，with a body weight of 75 kg，was scanned using spiral CT.A complete three?di?mensional finite element model of calcaneus was established by the mimics10.01 software.The stress distribution of two different kinds of internal fixation after the finite element model was studied using ANSYS?R14.5 3D finite element analysis software package.ResultsThe three dimen?sional finite element model and internal fixation model were established successfully，and the stress analysis showed that the stress concentration in the posterior articular surface and the internal fixation.ConclusionThe stress distribution of the implant is concentrated in the posterior articular surface of the calcaneal，and the clinical stuff should pay more attention to the effective fixation of the posterior articular surface and the calcaneal bone.There is no need for bone grafting in mechanics.

calcaneal fractures；three?dimensional finite element；bone graft

R683.42

B

0258-4646（2016）11-1022-04

10.12007/j.issn.0258?4646.2016.11.015

沈陽醫學院科技基金（20132026）

張勇（1978-），男，主治醫師，博士. E-mail：zyhuozy@sina.com

2016-05-19

網絡出版時間：