SandersⅡ型及Ⅲ型跟骨骨折三維有限元模型建立及不同內(nèi)固定方法力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析.pdf

1、隨著交通行業(yè)科技進(jìn)步及人群健康理念增強(qiáng)，足踝部骨折成為臨床常見病和多發(fā)病。跟骨骨折的發(fā)生率約占所有骨折的2％，在交通事故中受傷或從高處落下最常見。跟骨骨折多數(shù)為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，常根據(jù)基于CT冠狀面骨折線分類的Sanders分型對(duì)復(fù)雜跟骨骨折進(jìn)行分類（Ⅰ型，無(wú)移位骨折;Ⅱ型，后關(guān)節(jié)面兩骨折片段;Ⅲ型，后關(guān)節(jié)面存在三個(gè)移位骨折塊;Ⅳ型，后關(guān)節(jié)面粉碎）。本項(xiàng)研究采用有限元分析方法，比較微創(chuàng)固定系統(tǒng)、鎖釘和非鎖釘鋼板系統(tǒng)固定跟骨骨折（Sanders

2、Ⅱ型和Ⅲ型）的力學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)。
　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
　　1.選擇一名男性志愿者足踝部CT原始數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行三維重建后初步建立足踝部三維模型，選擇跟骨模型進(jìn)行處理后建立有限元模型，據(jù)桑德斯等建立的分型系統(tǒng)，建立SandersⅡ型和SandersⅢ型跟骨骨折的有限元模型，并三維掃描輸入相關(guān)的手術(shù)器械。這一部分主要論述建模方法，即通過(guò)跟骨三維模型建立三維有限元模型（跟骨SandersⅡ型和SandersⅢ型，包含跟骨精確的解剖結(jié)構(gòu)和韌

3、帶結(jié)構(gòu)），以及相關(guān)的內(nèi)固定模型（應(yīng)用Mimics，Geomagic，Solidworks，ANSYS等軟件）。
　　2.對(duì)所建立的足踝部的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型、跟骨三維有限元模型，通過(guò)力學(xué)分析方法和解剖學(xué)形態(tài)對(duì)比驗(yàn)證其有效性。建立正常踝關(guān)節(jié)在中立位置的三維模型，施加載荷（模擬人體生活中單腳站立負(fù)重狀態(tài)），模擬中立位置下踝關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布、接觸面積等參數(shù)，對(duì)跟骨于三維逆向軟件上進(jìn)行解剖學(xué)參數(shù)測(cè)量，并與正常跟骨解剖參數(shù)對(duì)比，初步證實(shí)其形

4、態(tài)真實(shí)可靠性。
　　3.根據(jù)所建立的跟骨骨折（SandersⅡ型和SandersⅢ型）有限元模型型，分別模擬打入鎖釘鋼板和非鎖釘鋼板系統(tǒng)。按照相關(guān)文獻(xiàn)評(píng)價(jià)內(nèi)固定物和骨折穩(wěn)定性的指標(biāo)，在跟骨中立位應(yīng)力加載下，使用有限元分析方法分析對(duì)比鎖釘鋼板和非鎖釘鋼板固定下跟骨骨折的模型。分析骨折線移位、相對(duì)移位、鋼板螺釘固定系統(tǒng)及骨折塊的應(yīng)力分布情況。探討SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)鎖釘鋼板和非鎖釘鋼板系統(tǒng)固定后跟骨骨折穩(wěn)定

5、性的影響。
　　4.評(píng)估微創(chuàng)固定系統(tǒng)固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折的有效性，分析骨折線移位、相對(duì)移位、鋼板螺釘固定系統(tǒng)及骨折塊的應(yīng)力分布情況，并與鎖釘鋼板和非鎖釘鋼板系統(tǒng)固定跟骨骨折穩(wěn)定性指標(biāo)相互對(duì)比。探討并對(duì)比微創(chuàng)鋼板固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)骨折穩(wěn)定性。
　　實(shí)驗(yàn)方法:
　　1.SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折數(shù)字化三維有限元模型的建立:首先建立足踝部有限

6、元模型，即通過(guò)一名男性志愿者(24歲，身高178cm，體重70kg)，于南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院影像科行足踝部CT平掃，獲取足踝部CT原始Dicom格式數(shù)據(jù)。具體掃描參數(shù)為利用影像科64排螺旋CT，電壓120-140 KV，電流強(qiáng)度240-300 mA，獲得512×512矩陣的Dicom格式數(shù)據(jù)。志愿者足踝部保持中立位，掃描范圍為從踝關(guān)節(jié)以上向下掃描至足底。掃描后將原始數(shù)據(jù)輸入三維重建軟件Mimics11.0，選擇自動(dòng)閾值分割后按照相關(guān)解剖

7、學(xué)參數(shù)手動(dòng)修改繪制閾值，即三維重建出完整足踝部骨性三維模型。之后導(dǎo)入Geomagic軟件內(nèi)進(jìn)行三角片修飾和點(diǎn)云處理，使模型更為光滑。最終導(dǎo)入SolidWorks軟件內(nèi)生成幾何模型并重建裝配體，同時(shí)導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS軟件內(nèi)，力學(xué)重建周圍韌帶等軟組織結(jié)構(gòu)。按照Sanders分型中的Ⅱ型及Ⅲ型跟骨骨折特點(diǎn)，在SolidWorks軟件內(nèi)切割生成相關(guān)骨折模型。
　　2.足踝部跟骨骨折三維有限元模型的驗(yàn)證:對(duì)于已經(jīng)建立的足踝部模型內(nèi)

8、，包括踝關(guān)節(jié)模型和跟骨模型等，對(duì)其有效性進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證及跟骨形態(tài)學(xué)驗(yàn)證。對(duì)所建立的足踝部的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型、跟骨三維有限元模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。對(duì)建立正常的踝關(guān)節(jié)三維模型，在ANSYS軟件中模擬添加8條踝關(guān)節(jié)周圍韌帶，設(shè)計(jì)韌帶的預(yù)張力為零負(fù)載下長(zhǎng)度短縮2％，骨和韌帶均采用均質(zhì)同向的線性模型，同時(shí)設(shè)置具體材料屬性。施加中立位載荷（模擬人體靜態(tài)中立位單足站立負(fù)重狀態(tài)），使用ANSYS軟件內(nèi)的有限元分析技術(shù)檢測(cè)中立位踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布

9、和接觸面積等參數(shù)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)跟骨于三維逆向軟件上進(jìn)行解剖學(xué)如跟骨前部長(zhǎng)、高和寬、跟骨水平長(zhǎng)、跟骨載距突長(zhǎng)、寬、高、跟骨丘部寬、高和底長(zhǎng)等參數(shù)測(cè)量，并與正常跟骨解剖參數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比，初步證實(shí)其形態(tài)真實(shí)可靠性。
　　3.非鎖釘鋼板及鎖釘鋼板固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析比較:三維掃描相關(guān)手術(shù)器械如鎖定和Y型非鎖定鋼板的相關(guān)尺寸型號(hào)，同時(shí)掃描匹配用螺釘，之后在

10、個(gè)人計(jì)算機(jī)上將三維數(shù)據(jù)匯總。在SolidWorks設(shè)置鋼板螺釘?shù)葍?nèi)固定材料光滑，可直接用于固定骨折模型的模擬研究。鈦板和鈦質(zhì)螺釘?shù)牟牧鲜沁x擇楊氏模量為106000mpa和泊松比為0.33。根據(jù)臨床手術(shù)技術(shù)將所有內(nèi)固定物放置于跟骨外側(cè)，皮質(zhì)骨螺釘全部打入，避免貫穿皮質(zhì)骨另一面或關(guān)節(jié)面。分析指標(biāo)主要為骨折穩(wěn)定性（通過(guò)骨折移位程度反映）、內(nèi)固定系統(tǒng)和內(nèi)固定周圍骨質(zhì)的應(yīng)力分布三個(gè)方面來(lái)評(píng)估內(nèi)固定的固定效果。設(shè)定X軸（踝關(guān)節(jié)外側(cè)指向內(nèi)側(cè)）、Y軸（

11、腳趾指向腳跟，XY平面平行于足底平面）、Z軸（足跟向上指向膝關(guān)節(jié)），進(jìn)一步計(jì)算骨折塊在三維坐標(biāo)軸上的移位。通過(guò)有限元分析方法，記錄不同內(nèi)固定方式下的骨折塊最大移位程度，內(nèi)固定和骨質(zhì)峰值應(yīng)力和應(yīng)力分布情況。
　　4.微創(chuàng)鎖釘鋼板固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析。跟骨微創(chuàng)內(nèi)固定鋼板選擇小型跟骨微創(chuàng)鋼板（醫(yī)療器械有限公司，江蘇省，中國(guó)），固定方法采用貼合跟骨外側(cè)后全部打入螺釘，同時(shí)配合或不配合兩

12、枚螺釘直徑5.5mm的皮質(zhì)骨螺釘從跟骨結(jié)節(jié)處打入到跟骰關(guān)節(jié)。通過(guò)分析指標(biāo)主要為骨折穩(wěn)定性、內(nèi)固定系統(tǒng)和內(nèi)固定周圍骨質(zhì)的應(yīng)力分布三個(gè)方面，來(lái)探討微創(chuàng)鋼板固定效果（單純微創(chuàng)鋼板固定或微創(chuàng)鋼板固定結(jié)合兩枚后方直徑5.5mm的皮質(zhì)骨螺釘從跟骨結(jié)節(jié)處打入到跟骰關(guān)節(jié)）。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
　　1.SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折數(shù)字化三維有限元模型的建立:基于一名男性志愿者的足踝部CT數(shù)據(jù)資料，成功三維重建出完整足踝部骨性結(jié)

13、構(gòu)的三維模型、導(dǎo)入Geomagic軟件內(nèi)進(jìn)行三角片修飾和點(diǎn)云處理、導(dǎo)入SolidWorks軟件內(nèi)裝配不同骨性結(jié)構(gòu)模型、ANSYS軟件中構(gòu)建足踝部韌帶。按照Sanders分型中的Ⅱ型及Ⅲ型跟骨骨折特點(diǎn)，在SolidWorks軟件內(nèi)切割生成了SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折模型。
　　2.足踝部跟骨骨折三維有限元模型的驗(yàn)證:建立了足踝部有限元模型分別進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。對(duì)于踝關(guān)節(jié)模型部分，在添加8條踝關(guān)節(jié)周圍韌帶后，設(shè)計(jì)韌帶

14、的預(yù)張力為零負(fù)載下長(zhǎng)度短縮2％，骨和韌帶均采用均質(zhì)同向的線性模型。在踝關(guān)節(jié)模型的中立位施加600N應(yīng)力，此時(shí)關(guān)節(jié)面接觸面積為405mm2，最大接觸應(yīng)力為4.5MPa，接觸面積接近相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)力分布情況與真實(shí)脛骨關(guān)節(jié)面受力情況相似。對(duì)于跟骨模型部分，進(jìn)行了相關(guān)解剖學(xué)參數(shù)測(cè)量，跟骨長(zhǎng)度為64.80毫米，跟骨前部寬度、跟骨溝寬度、跟骨后部寬度分別為20.4毫米，1毫米和31毫米，與正常跟骨解剖參數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比相近。通過(guò)測(cè)量跟骨后關(guān)節(jié)面面積

15、，其值與相關(guān)文獻(xiàn)接近。以上結(jié)果初步證實(shí)模型其形態(tài)真實(shí)可靠性。進(jìn)一步的SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折內(nèi)固定分析結(jié)果顯示，骨折線的移位、骨折塊應(yīng)力和鋼板螺釘內(nèi)固定物應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)，顯示三維模型的合理可靠性。
　　3.非鎖釘鋼板及鎖釘鋼板固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析比較:對(duì)于SandersⅡA型和SandersⅡB型跟骨骨折模型，骨折塊移位程度和骨折線相對(duì)移位程度結(jié)果顯示

16、鎖釘鋼板固定明顯優(yōu)于非鎖釘鋼板（SandersⅡA型鎖釘鋼板組骨折線移位:1微米，非鎖釘鋼板組骨折線移位:3微米;SandersⅡB型鎖釘鋼板組骨折線移位:1.7微米，非鎖釘鋼板組骨折線移位:5微米），SandersⅡC型跟骨骨折模型中兩種移位相近。對(duì)于SandersⅡA型、B型和C型跟骨骨折，非鎖釘鋼板組的內(nèi)固定峰值應(yīng)力高于鎖釘鋼板組，鎖釘鋼板組的跟骨峰值應(yīng)力高于非鎖釘鋼板組，但均位于合理范圍內(nèi)。提示鎖釘鋼板固定較非鎖釘鋼板更為穩(wěn)定，

17、跟骨應(yīng)力大于非鎖釘鋼板組，而非鎖釘鋼板組固定時(shí)，更多應(yīng)力集中于內(nèi)固定物上。非鎖釘鋼板及鎖釘鋼板的內(nèi)固定應(yīng)力和跟骨應(yīng)力分布均無(wú)明顯集中現(xiàn)象，以跟骨鋼板前部應(yīng)力分布較大。
　　4.微創(chuàng)鎖釘鋼板固定SandersⅡ型及SandersⅢ型跟骨骨折時(shí)力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析。固定SandersⅡ型跟骨骨折時(shí)，微創(chuàng)鎖釘鋼板配合或不配合兩枚從后向前固定螺釘均可達(dá)到合適的力學(xué)穩(wěn)定性。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論:
　　1.基于志愿者足踝部CT數(shù)據(jù)可較