不同Bohler角的Sanders ⅡC舌形跟骨骨折愈合后的生物力學(xué)有限元分析*

曹 辰 黃國偉 姜雪峰

南通大學(xué)附屬江陰醫(yī)院，江蘇省江陰市 214400

跟骨骨折較為常見，約占跗骨骨折的60%，常見于高能量損傷，如高處墜落或車禍等，軸向暴力向下傳導(dǎo)，使距骨撞擊跟骨，此時足的位置、方向、應(yīng)力的大小和骨質(zhì)的好壞，決定了骨折的類型及嚴(yán)重程度。由于跟骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部軟組織覆蓋條件差、較高的負(fù)重集中，對于跟骨骨折的治療結(jié)果通常較差，常會導(dǎo)致患者的長期足痛，足踝功能下降[1]，甚至?xí)斐蛇h(yuǎn)期的創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，而不當(dāng)?shù)闹委煼绞礁鼤又貙颊叩牟涣加绊慬2-3]。跟骨的生物力學(xué)較為復(fù)雜，距下關(guān)節(jié)對其功能影響最為明顯[4]，治療各型跟骨骨折，應(yīng)盡可能地做到恢復(fù)關(guān)節(jié)面的完整性、恢復(fù)跟骨的Bohler角、恢復(fù)跟骨的長度及寬度，從而恢復(fù)跟骨的正常形態(tài)。由于跟骨的復(fù)雜外形，其再塑形能力較管狀骨差，跟骨骨折術(shù)后的患者，骨折愈合后跟骨的形態(tài)很大程度上取決于術(shù)中骨折復(fù)位的程度，雖然不同復(fù)位程度的手術(shù)，經(jīng)過妥善的術(shù)后管理，骨折都有完全愈合的可能，然而畸形愈合的跟骨由于應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布的改變，都會是造成患者長期足痛、足部創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的可能原因，因此對于跟骨骨折的治療還應(yīng)做到恢復(fù)足部常態(tài)的應(yīng)力分布，即使無法做到完全的解剖復(fù)位，也應(yīng)將生物力學(xué)的改變控制在一定的范圍內(nèi)，減少對患者的遠(yuǎn)期影響。Sanders ⅡC舌形骨折是綜合Sanders分型和Essex-Lopresti分型兩種分型方法，在側(cè)位X線片上觀察到的繼發(fā)骨折線符合舌形骨折標(biāo)準(zhǔn)，同時在CT冠狀面上，只有一條偏向內(nèi)側(cè)1/3靠近載距突的骨折線經(jīng)過后距下關(guān)節(jié)面的骨折類型。Sanders ⅡC舌形骨折在臨床上并不罕見，通常采用經(jīng)皮撬撥復(fù)位或跗骨竇入路等微創(chuàng)手術(shù)方式，術(shù)野較小，對骨折塊的暴露不足，術(shù)中以X線側(cè)位片上的Bohler角為依據(jù)，對塌陷的跟骨高度進(jìn)行復(fù)位，易出現(xiàn)復(fù)位不足的情況，本研究通過有限元法研究Sanders ⅡC舌形跟骨骨折，不同Bohler角恢復(fù)程度愈合后，跟骨應(yīng)力的變化情況，以確定Bohler角恢復(fù)程度對Sanders ⅡC舌形跟骨骨折患者遠(yuǎn)期預(yù)后的影響。

1 對象和設(shè)備

1.1 對象 選取一名志愿者，45歲，身高170cm，體重70kg，經(jīng)X線和CT檢查，排除足踝部外傷史及關(guān)節(jié)疾病史。

1.2 設(shè)備與軟件 (1)CT設(shè)備：General Electrics 64層螺旋CT機(GE_MEDICAL_SYSTEMS/Optima CT660)；(2)計算機配置：圖形處理器工作站T7910，Intel (R)Xeon(TM)CPU至強E5-2650×2,24G 內(nèi)存，硬盤：2 000G；(3)軟件：Mimics15.0軟件(Materialise’s Interactive Medical Image Control System，Mimics，交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng))，ANSYS13.0軟件(ANSYS公司，美國)，Geomagic Studio12.0軟件(Raindrop公司，美國)，Hypermesh12.0軟件(Altair公司，美國)。

1.3 數(shù)據(jù)采集 應(yīng)用螺旋CT(Computer Tomography)對足部進(jìn)行薄層連續(xù)掃描，掃描厚度為0.625mm，重建0.625mm，球管電流為200mA，電壓為120kV，掃描時患者平躺在檢查臺上，與掃描的線圈平面垂直。掃描圖像的層厚0.625mm，層間距0.625mm，512×512像素，掃描范圍從股骨下端至足底，共獲得斷層圖像序列710張，以Dicom格式存儲于計算機中。

1.4 有限元模型的建立 將以DICOM格式存儲的圖像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics15.0醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，調(diào)節(jié)圖像閾值，設(shè)定為226～2 676HU，用工具編輯每層圖像覆蓋的Mask形狀，獲得足部骨骼模型的準(zhǔn)確輪廓，利用軟件三維重建功能生成足部的三維模型，并將跟骨及距骨從整個模型中提取出來。將跟骨及距骨導(dǎo)入到3-matic軟件，對跟骨進(jìn)行截骨處理，制作出Bohler角減少3°、6°、9°及12°的舌形骨折跟骨模型，旋轉(zhuǎn)距骨與跟骨匹配。以骨與骨之間的間隙為邊界，提取骨的上下曲面，用造型工具建立關(guān)節(jié)間的軟骨，通過布爾減操作，使得軟骨與距骨和跟骨關(guān)節(jié)面完美貼合。利用Geomagic Studio軟件對3-matic軟件導(dǎo)出的STL文件進(jìn)行編輯，利用網(wǎng)格衍生功能對其表面進(jìn)行破面修補，封閉模型，模擬跟骨骨折術(shù)后完全愈合的跟骨形態(tài)，將各模型以*iges格式導(dǎo)出。將上述模型進(jìn)行組裝，從而生成跟骨、距骨及關(guān)節(jié)軟骨等模型供后續(xù)Hypermesh使用。在Hypermesh軟件中，模型的各部分分別建立為一個元件。對每個部分經(jīng)過必要的quick edit處理后，劃分體網(wǎng)格。因為研究對象為不規(guī)則模型，網(wǎng)格選用四面體Solid187單元網(wǎng)格(見表1)。通過參考相關(guān)韌帶止點的解剖學(xué)參數(shù)[5-6]，利用桿單元Link180添置骨間韌帶。韌帶的彈性模量：260MPa。根據(jù)文獻(xiàn)的描述[7-8]，在Hypermesh軟件中對模型的各部分進(jìn)行材料屬性的分配(見表2)。 然后將所有有限元模型導(dǎo)入ANSYS13.0軟件中處理分析。

表1 模型的單元數(shù)與節(jié)點數(shù)

表2 模型材料參數(shù)

1.5 邊界條件和載荷 假設(shè)人體質(zhì)量70kg，單足站立，承受全身全部體重，作用于距下關(guān)節(jié)的載荷為700N。約束跟骨下所有節(jié)點，模擬人體站立位，跟骨接觸地面。

2 結(jié)果

從應(yīng)力分布的角度上看，正常跟骨模型的應(yīng)力較為均勻地分布在距下關(guān)節(jié)面、跟骰關(guān)節(jié)及跟骨體部，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面前外側(cè)，為41.79MPa，Bohler角減少3°時的跟骨應(yīng)力分布向前集中，主要分布在距下關(guān)節(jié)的前方及跟骰關(guān)節(jié)，且應(yīng)力峰值明顯升高，為67.80MPa；Bohler角減少6°時，應(yīng)力分布集中在距下關(guān)節(jié)的前方及跟骰關(guān)節(jié)處，應(yīng)力峰值繼續(xù)升高，為72.24MPa；而當(dāng)Bohler角減少9°時，應(yīng)力分布集中在距下關(guān)節(jié)的前方及跟骰關(guān)節(jié)，應(yīng)力峰值較前降低，為46.25MPa；當(dāng)Bohler角減少12°時，應(yīng)力分布集中在距下關(guān)節(jié)的前方及跟骰關(guān)節(jié)，應(yīng)力峰值為41.47MPa(見圖1、2)。跟骨與距骨的接觸面積在正常跟骨模型中為1 606.07mm2，在Bohler角減少3°時，接觸面積為1 525.53mm2，在Bohler角減少6°時，接觸面積為1 484.83mm2，在Bohler角減少9°時為1 451.06mm2，在Bohler角減少12°時為1 432.86mm2。

圖2 5種跟骨模型應(yīng)力峰值

3 討論

本研究所用的有限元模型采用健康自愿者CT重建的數(shù)據(jù)，所建模型其壓縮剛度為660N/mm，與相關(guān)文獻(xiàn)[9]結(jié)果的634N/mm比對，本研究的結(jié)果在合理的范圍內(nèi)。本研究模型顯示正常跟骨受力時，應(yīng)力較為均勻地分布在距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面、前中關(guān)節(jié)面，跟骰關(guān)節(jié)及跟骨體部，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面的前外側(cè)，這與湯榮光等[10]應(yīng)用10具新鮮尸體標(biāo)本在中立位下對距下關(guān)節(jié)加載600N所得的結(jié)果一致。綜上，顯示模型是準(zhǔn)確有效的。

跟骨是足內(nèi)外側(cè)縱弓的共同后臂，跟骨與距骨組成距下關(guān)節(jié)，協(xié)調(diào)中后足與踝關(guān)節(jié)的運動，而跟骨的正常形態(tài)是維持距下關(guān)節(jié)運動和力學(xué)穩(wěn)定前提，骨折后跟骨形態(tài)的改變將對足部生物力學(xué)產(chǎn)生重大影響。目前關(guān)于跟骨骨折生物力學(xué)的有限元研究多著眼于比較不同內(nèi)固定方式所帶來的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力等因素的改變，對于跟骨骨折畸形愈合后的生物力學(xué)研究較為少見。Sanders ⅡC舌形跟骨骨折的微創(chuàng)手術(shù)治療易出現(xiàn)Bohler角復(fù)位不足，本研究著眼于Sanders ⅡC舌形跟骨骨折經(jīng)過不同程度的復(fù)位，骨折愈合后所帶來的跟骨生物力學(xué)因素的改變，分析復(fù)位不足可能對跟骨骨折患者術(shù)后遠(yuǎn)期生活質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)舌形骨折塊復(fù)位程度不足，Bohler角減小時，跟骨的整體應(yīng)力向前方集中，分布在距下關(guān)節(jié)的前方和跟骰關(guān)節(jié)，跟骨整體上的應(yīng)力峰值呈逐漸增大的趨勢，當(dāng)Bohler角繼續(xù)減小，減小的程度為9°時，跟骨的高度明顯降低，距骨處于相對背伸位，造成跟骨負(fù)重中心的過度前移，跟骨所受部分負(fù)荷為中足所分擔(dān)，造成跟骨整體上的應(yīng)力峰值開始降低，隨著Bohler角的繼續(xù)減小，中足所分擔(dān)的負(fù)荷繼續(xù)增大，跟骨整體上的應(yīng)力峰值呈逐漸降低的趨勢。

跟骨是最大的跗骨，在人體活動過程中，作為主要的承重骨，在人體中立位時，承受全身50%的體重，而在運動過程中，其承重可達(dá)到體重的4倍，過高的負(fù)重也使得跟骨成為足踝部最易骨折的部位之一[11]。當(dāng)Bohler角減小到一定程度時，在總壓力不變的情況下，作為主要承重骨的跟骨，它的部分負(fù)重為中足分擔(dān)，跟骨的應(yīng)力降低，中足的負(fù)荷則相應(yīng)加重，這種異常的足部生物力學(xué)長期持續(xù)，造成跟骰關(guān)節(jié)發(fā)生退行性改變，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)對應(yīng)部位的疼痛及跟骰關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的演變。有研究表明，部分跟骨骨折畸形愈合后的患者會出現(xiàn)跟骰關(guān)節(jié)前方的疼痛，影像學(xué)資料可見跟骰關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，激素痛點封閉可以幫助明確受累關(guān)節(jié)的診斷，對于這類病人，如保守治療無效，則可能需要進(jìn)行跟骰關(guān)節(jié)融合術(shù)[12]，增加了患者的長期痛苦，因此在治療跟骨骨折時就應(yīng)該避免這種異常的足部生物力學(xué)分布。跟骨骨折的復(fù)位不足常被認(rèn)為是造成術(shù)后不良影響的因素。有研究認(rèn)為，跟骨骨折Bohler降低40%左右會對踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布造成顯著影響，導(dǎo)致內(nèi)踝關(guān)節(jié)面與脛距關(guān)節(jié)面應(yīng)力集中[13]。在本研究中，正常的Bohler角為31°，當(dāng)Bohler角減少9°，即Bohler角為正常的70%時，跟骨的高度明顯降低，距骨相應(yīng)背伸，跟骨負(fù)重中心前移，跟骨的應(yīng)力在距下關(guān)節(jié)前方及跟骰關(guān)節(jié)處集中，應(yīng)力峰值降低，部分負(fù)重為中足分擔(dān)，造成中足的過度負(fù)荷。因此推薦在使用Bohler角作為評估跟骨骨折手術(shù)指標(biāo)時，應(yīng)將Bohler角的減小控制在30%以內(nèi)。

較正常跟骨模型而言，Bohler角減小對跟骨與距骨的接觸面積并無明顯改變，這是因為跟骨上較大的后關(guān)節(jié)面是一個近似橢圓形的凸面，與距骨關(guān)節(jié)面上的凹面相匹配，而跟骨的前中關(guān)節(jié)面是一個凹面，與之對應(yīng)的距骨關(guān)節(jié)面是一個凸面的形狀，當(dāng) Bohler角降低時，關(guān)節(jié)面在矢狀面上進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)，而這種凸面與凹面的匹配關(guān)系造成關(guān)節(jié)面的接觸面積變化并不顯著。

本研究的不足之處在于對足部模型進(jìn)行了簡化處理，忽略了足部筋膜、肌肉及韌帶等結(jié)構(gòu)對足部穩(wěn)定性的影響，但仍可滿足實驗要求。實際的骨折線可能更為復(fù)雜，并且在本模型中，對于距骨及跟骨的相對位置關(guān)系，受限于有限元分析建模的局限性，只考慮了其在矢狀面上的旋轉(zhuǎn)，而忽略了可能存在的內(nèi)翻或是外翻。而本研究是對于骨折愈合模型的研究，因此尸體標(biāo)本的方法難以滿足實際的研究要求，故而采用有限元建模的研究方法。有限元分析雖然能夠模擬足部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，研究內(nèi)部的生物力學(xué)變化，但不可避免地會根據(jù)研究的目的與條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕痆3, 14]，所以仍需同大量的生物力學(xué)研究與臨床病例研究相佐證。