空心螺釘固定內(nèi)踝骨折的有限元分析.pdf

1、背景:近年來隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，三維有限元分析作為一種新興的生物力學(xué)研究方法，在足踝外科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過有限元方法可對(duì)骨折的發(fā)生機(jī)制、內(nèi)固定的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究。有限元技術(shù)與傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)互為補(bǔ)充，為骨科疾病的診斷、治療提供了豐富的理論基礎(chǔ)。
　　目的：內(nèi)踝垂直剪切骨折多發(fā)生于旋后內(nèi)收型踝關(guān)節(jié)損傷。對(duì)于此類骨折目前多采用抗滑鋼板及空心螺釘兩種固定方式。利用有限元分析方法分別建立脛骨遠(yuǎn)端60°、75°

2、、90°內(nèi)踝骨折模型，所有骨折均采用兩枚空心螺釘固定。模擬旋后內(nèi)收型踝關(guān)節(jié)損傷時(shí)空心螺釘固定強(qiáng)度隨骨折角度變化的情況。觀察指標(biāo)包括骨折最大位移、應(yīng)力分布云圖。探索空心螺釘固定不同角度內(nèi)踝骨折時(shí)，固定強(qiáng)度的變化規(guī)律，并為旋后內(nèi)收型踝關(guān)節(jié)Ⅱ度損傷內(nèi)踝骨折固定方式的選擇提供生物力學(xué)依據(jù)。
　　方法：選擇一位健康男性志愿者，獲取踝關(guān)節(jié)CT掃描圖像。將掃描數(shù)據(jù)以 DICOM格式導(dǎo)入到 Mimics13.0軟件。利用閾值調(diào)整工具（Thresh

3、olding）提取骨骼輪廓，界定閾值在230~3020Hu，區(qū)分出骨組織與軟組織，生成踝部骨骼蒙皮（Mask），然后采用3D技術(shù)生成踝部骨骼模型。利用三維區(qū)域增長（3D Region Growing）工具選擇熱區(qū)，分割出脛骨遠(yuǎn)端模型，對(duì)輪廓表面進(jìn)行簡單光滑、填補(bǔ)處理，最終生成了脛骨遠(yuǎn)端3D立體模型。采用同樣的方法建立脛骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨3D立體模型，對(duì)上述兩個(gè)3D模型進(jìn)行布爾運(yùn)算（Boolean），生成脛骨遠(yuǎn)端皮質(zhì)骨3D立體模型。將生成的皮質(zhì)

4、骨及松質(zhì)骨3D立體模型以 STL格式（Standard Template Library）導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic9.0，對(duì)模型進(jìn)行簡化、去噪、光滑、三維曲面構(gòu)型等修飾后再次導(dǎo)入 Mimics13.0軟件。利用草圖切割及布爾運(yùn)算，裝配構(gòu)建60°、75°及90°內(nèi)踝骨折空心釘固定模型。將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，依次生成面網(wǎng)格、體網(wǎng)格，以CDB格式保存，并輸入到ANSYS軟件FE模塊中。對(duì)模型重新劃分為四面體網(wǎng)格，最終生成了內(nèi)踝骨折空心釘

5、固定有限元模型。于內(nèi)踝施加100N，200N，300N軸向剪切負(fù)荷，模擬旋后內(nèi)收型踝關(guān)節(jié)損傷時(shí)距骨內(nèi)翻擠壓內(nèi)踝時(shí)的情況，記錄骨折移位程度及骨質(zhì)應(yīng)力分布情況。分別用5.7Mp，3.9Mp，2.2Mp三個(gè)點(diǎn)來劃分不同骨密度下松質(zhì)骨的屈服強(qiáng)度，從應(yīng)力云圖上判斷骨質(zhì)切割情況。
　　結(jié)果：
　　1位移情況：同種模型，當(dāng)負(fù)荷逐漸增大時(shí)，骨折最大位移逐漸增大。同種負(fù)荷，當(dāng)骨折角度逐漸增大時(shí)，骨折最大位移也逐漸增大。當(dāng)剪切負(fù)荷為200N及3

6、00N時(shí)，90°內(nèi)踝骨折模型最大位移超過了2mm。
　　2應(yīng)力分布情況：空心釘螺紋與松質(zhì)骨接觸區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)域之一。將三種剪切負(fù)荷加載于90°內(nèi)踝骨折模型，螺紋區(qū)域一定范圍的松質(zhì)骨所受應(yīng)力超過5.7Mp（正常骨量松質(zhì)骨的屈服強(qiáng)度），提示骨小梁發(fā)生屈服形變，空心螺釘尾部把持力降低，內(nèi)固定失穩(wěn)。
　　結(jié)論：
　　1采用空心螺釘固定內(nèi)踝剪切型骨折在一定負(fù)重范圍內(nèi)均能達(dá)到固定要求；但角度越大，骨折移位程度越明顯；建議垂直型內(nèi)踝

7、骨折采用抗滑鋼板固定。
　　2使用空心釘固定內(nèi)踝剪切型骨折，當(dāng)距骨擠壓內(nèi)踝時(shí)，空心釘螺紋與松質(zhì)骨接觸區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)域之一，對(duì)于骨質(zhì)疏松患者其骨質(zhì)屈服強(qiáng)度均低于正常成人，單純空心螺釘固定，容易在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生切割導(dǎo)致內(nèi)固定失敗，建議抗滑鋼板固定。
　　3垂直型內(nèi)踝骨折患者早期功能鍛煉時(shí)應(yīng)盡量在矢狀面上進(jìn)行踝關(guān)節(jié)屈伸鍛煉，避免過早內(nèi)翻旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，導(dǎo)致距骨擠壓內(nèi)踝，引發(fā)骨折剪切移位。
　　4通過三維有限元技術(shù)建立內(nèi)踝骨折模型