空心螺釘固定內踝骨折的有限元分析.pdf

1、背景:近年來隨著計算機科學及醫(yī)學影像技術的不斷發(fā)展，三維有限元分析作為一種新興的生物力學研究方法，在足踝外科領域得到了廣泛應用。通過有限元方法可對骨折的發(fā)生機制、內固定的穩(wěn)定性等方面進行研究。有限元技術與傳統生物力學實驗互為補充，為骨科疾病的診斷、治療提供了豐富的理論基礎。
　　目的：內踝垂直剪切骨折多發(fā)生于旋后內收型踝關節(jié)損傷。對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端60°、75°

2、、90°內踝骨折模型，所有骨折均采用兩枚空心螺釘固定。模擬旋后內收型踝關節(jié)損傷時空心螺釘固定強度隨骨折角度變化的情況。觀察指標包括骨折最大位移、應力分布云圖。探索空心螺釘固定不同角度內踝骨折時，固定強度的變化規(guī)律，并為旋后內收型踝關節(jié)Ⅱ度損傷內踝骨折固定方式的選擇提供生物力學依據。
　　方法：選擇一位健康男性志愿者，獲取踝關節(jié)CT掃描圖像。將掃描數據以 DICOM格式導入到 Mimics13.0軟件。利用閾值調整工具（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)，分割出脛骨遠端模型，對輪廓表面進行簡單光滑、填補處理，最終生成了脛骨遠端3D立體模型。采用同樣的方法建立脛骨遠端松質骨3D立體模型，對上述兩個3D模型進行布爾運算（Boolean），生成脛骨遠端皮質骨3D立體模型。將生成的皮質

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

5、固定有限元模型。于內踝施加100N，200N，300N軸向剪切負荷，模擬旋后內收型踝關節(jié)損傷時距骨內翻擠壓內踝時的情況，記錄骨折移位程度及骨質應力分布情況。分別用5.7Mp，3.9Mp，2.2Mp三個點來劃分不同骨密度下松質骨的屈服強度，從應力云圖上判斷骨質切割情況。
　　結果：
　　1位移情況：同種模型，當負荷逐漸增大時，骨折最大位移逐漸增大。同種負荷，當骨折角度逐漸增大時，骨折最大位移也逐漸增大。當剪切負荷為200N及3

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

7、骨折采用抗滑鋼板固定。
　　2使用空心釘固定內踝剪切型骨折，當距骨擠壓內踝時，空心釘螺紋與松質骨接觸區(qū)為應力集中區(qū)域之一，對于骨質疏松患者其骨質屈服強度均低于正常成人，單純空心螺釘固定，容易在應力集中區(qū)域發(fā)生切割導致內固定失敗，建議抗滑鋼板固定。
　　3垂直型內踝骨折患者早期功能鍛煉時應盡量在矢狀面上進行踝關節(jié)屈伸鍛煉，避免過早內翻旋轉動作，導致距骨擠壓內踝，引發(fā)骨折剪切移位。
　　4通過三維有限元技術建立內踝骨折模型