目的 建立应用新型跟骨微创解剖接骨板治疗 Sanders Ⅱ、Ⅲ型中各亚型跟骨骨折的有限元模型。通过有限元分析技术探讨应用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折的有效性。

方法 通过对健康成年男性足踝部行CT扫描来获取影像数据。然后使用3D-slicer、Geomagic Studio12 软件重建正常跟骨三维模型，使用 UG12.0 软件绘制新型接骨板和各亚型跟骨骨折模型。将得到的数据导入Hypermesh有限元前处理软件，建立新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折有限元模型。再通过Abaqus2016 有限元数据分析软件，对各模型施加载荷及边界约束，同时执行计算。最后，在Hyperview 有限元模型后处理软件中查看各亚型跟骨骨折有限元模型的受力情况与骨折端位移情况，进行结果比较与分析。

结果 采用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折模型仿真度高，各个模型整体结构的**应力集中于内固定上。对于涉及载距突骨折的类型，如SandersⅡC型、 SandersⅢAC及ⅢBC型跟骨骨折，其**应力较集中于固定载距突的螺钉上，且骨折端位移较大。

结论 在高强度载荷条件下，各个有限元模型骨折端移位均小于1 mm，且未出现新型接骨板及螺钉失效的情况。从该有限元分析结果上看，应用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折具有有效性，为其在临床上的应用提供了依据。

关键词

跟骨骨折；新型跟骨微创解剖接骨板；有限元分析

跟骨是人体**的跗骨，同时也是足弓的主 要承重骨，是构成足弓的重要骨性结构。其在人体正常活动中起着非常重要的作用。跟骨骨折的发生率也在跗骨骨折中居高不下，是最容易受到损伤的一块跗骨，占足部骨折60% ～ 75%，占全身骨折的1% ～ 2%。跟骨骨折常见于各类暴力性损伤，以高空坠落时距骨对跟骨的直接撞击最为常见。

有限元技术是随计算机技术的发展而迅速崛起的一种现代计算模拟方法。其凭借着便利性和实用性已普遍应用于各行各业的工程模拟设计。该技术于20 世纪70 年代时开始应用于骨科领域，如今已被广泛应用于骨科各个亚分类专业领域中的力学研究及疗效评价。本研究将通过有限元技术对应用新型跟骨微创解剖接骨板（下称：新型接骨板）治疗Sanders Ⅱ、Ⅲ型中各亚型跟骨骨折（下称：各亚型跟骨骨折）的模型进行模拟力学分析，以阐明应用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折的有效性及经跗骨窦切口的手术方式治疗各亚型跟骨骨折的可行性。

1.1 志愿者选择   

本研究随机选取1 名健康的成年男性。选择条件：①自愿参与，并签署知情同意书；②正常体型，体质指数介于18.5 ～ 23.9；③ 下肢无畸形、无活动受限；④既往无足部外伤史、手术史及其他足部疾病史；⑤无其他基础疾病史；⑥可配合足踝查体及计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）等无创检查。

1.2 硬件及软件

数据扫描：东芝320 排螺旋CT；计算机操作平台：戴尔3630 工作站；软件3D- slicer 医学影像处理软件、UG12.0 计算机辅助设计与计算机辅助制造软件、Geomagic Studio12 逆向工程软件、Hypermesh模型前处理软件、Abaqus 2016 有限元数据分析软件、Hyperview 有限元模型后处理软件。

1.3 模型的建立

1.3.1 数据的获取   采用东芝320 排螺旋CT，扫描层厚 0.5 mm，扫描范围：自踝关节上5 cm 至足底区域。志愿者采取的体位：仰卧位，自然放松姿势，且左足摆放至正中位。

1.3.2 跟骨模型建立   将通过CT 扫描获得的左跟骨所有数据以DICOM 数据格式进行保存，并导入到3D-slicer 医学影像处理软件中。然后通过区域自动选择及手动绘制功能进行模型图像区域的选取与修整，以重建仿真度较高的跟骨骨骼三维表面几何形状。再将得到的模型以STL 点云数据格式存储，并导入Geomagic Studio12 逆向工程软件中，进一步对这些数据进行精细化处理，即通过点云数据进行封装和曲面化处理，最终得到以IGE 数据格式输出并保存的跟骨实体模型。

1.3.3 跟骨骨折模型   将跟骨实体模型导入UG12.0 软件中，然后按照Sanders 分型方法绘制出SandersⅡ、Ⅲ型中的6个亚型跟骨骨折模型，即：SandersⅡA型、SandersⅡB型、SandersⅡC型，Sanders Ⅲ AB 型、Sanders Ⅲ AC 型、Sanders Ⅲ BC 型。

1.3.4 应用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折模型的建立   在UG12.0 软件中，绘制新型接骨板和匹配接骨板的锁定螺钉模型（接骨板以及螺钉数据参数由山东威高骨科材料股份有限公司提供）。为了减少计算量，将螺钉及钢板螺孔表面的螺纹简化为光滑的表面。并将新型接骨板模型与各亚型跟骨骨折模型导入有限元前处理软件 Hypermesh 14.0 中。然后在已解剖复位的模型中，按照术中固定原则调整新型接骨板、螺钉的位置。最后通过布尔运算对新型接骨板、螺钉、各亚型跟骨骨折模型进行装配，从而得到应用新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折的模型（图 1）。

图1 新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折模型

1.4 网格划分及材料属性赋值   

在Hypermesh14.0 软件中，对得到的应用新型接骨板进行治疗各亚型跟骨骨折的模型进行处理。为了提高计算的精确性，通过对壳单元和体单元自动网格划分技术，对各个模型中的每个部件进行单独的网格划分。对于跟骨这一不规则的几何模型，采用一般尺寸的网格，即采用壳单元模拟皮质骨，设置壳单元厚度为1 mm，面网格尺寸为1 mm；采用四面体网格模拟松质骨，设置四面体网格尺寸为1 mm。对于新型接骨板及螺钉这类规则的模型，采用小尺寸的网格，即新型接骨板采用四面体网格进行划分，网格尺寸缩小为0.3 mm；螺钉采用六面体网格进行划分，网格尺寸设置为0.4 mm。对螺钉和钉道的骨界面处设置相同的网格密度，并采用TIED 连接来模拟螺钉与骨质的咬合（图2）。同时采用节点耦合的方式来模拟螺钉与新型接骨板的锁定。各部件材料弹性模量及泊松比见表1。

图2 Sanders Ⅲ AC 型跟骨骨折网格划分

表1 材料弹性模量及泊松比

将已完成网格化的各亚型跟骨骨折模型导入到 Abaqus2016 有限元处理软件，然后对这些模型赋予边界条件及加载应力计算。由于人体在立正体位时，跟骨与距骨之间依靠前、中、后关节面进行接触，所以跟距关节上的力量传导主要依赖于中后关节面。因此，在模拟单纯跟骨模型受力时，约束位于跟骨结节与跟骰关节下缘间的跟骨下表面的自由度。设置力的加载方式为：垂直关节面方向，同时将1000 N 的力均匀地作用于前、中、后关节面（图 3）。

图3 力的加载方向

本研究建立的应用新型接骨板进行治疗各亚 型跟骨骨折模型的几何外观生动逼真。各亚型跟骨骨折有限元模型的节点数及单元个数见表2。

表 2 有限元模型主要信息

表3 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型的**应力与位移结果

图4 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型的整体应力图

图5 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型中皮质骨应力图

图6 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型中松质骨应力图

图7 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型中新型接骨板应力图

图8 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型中螺钉应力图

图9 新型接骨板治疗 Sanders Ⅱ型中各亚型跟骨骨折模型中骨折端位移

表4 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型的**应力与位移结果

图10 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型的整体应力图

图11 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型中皮质骨应力图

图12 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型中松质骨应力图

图13 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型中新型接骨板应力图

图14 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型中螺钉应力图

图15 新型接骨板治疗 Sanders Ⅲ型中各亚型跟骨骨折模型中骨折端位移图

对移位超过1 mm的跟骨关节内骨折，切开复位内固定治疗已成为目前首选的治疗方案。最经典的入路选择有L形入路、内外侧小切口入路及各式改良切口入路。众多研究表明，各类小切口的术后并发症较大切口明显减少。外侧小切口入路包括跗骨窦入路，跗骨窦是由跟骨沟及距骨沟所围成的骨间空隙。较其他外侧小切口而言，跗骨窦切口较易定位。在外踝尖端下方触及空虚感，即为跗骨窦区。其切口为紧贴跗骨窦骨性下缘，平行足底，至第四跖骨基底部的连线。该切口区相对安全，跟外侧动脉与腓肠神经及腓骨长短肌腱解剖位置相对恒定，其主要支配跟骨外侧后方区域。切口位置定位恰当，操作时轻柔仔细，在显露过程中极少出现血管、神经及肌腱的器械伤。

同时为适应入路要求及复杂的跟骨骨折类型，各式跟骨钢板相继问世。其中有适合大切口及跟骨严重粉碎性骨折的宽轮廓钢板；也有适合小切口及骨折端跨度短的各类异形小钢板。本文采用的新型接骨板是以国人跟骨数据统计为基础，适合国人使用的解剖型接骨板，且专为跗骨窦入路所设计。相比于普通异形小钢板，新型接骨板术中无须再塑形处理。新型接骨板采用排筏设计理念，用以支撑塌陷的关节面及载距突，并且与全锁定螺钉相配合，其整体构成一内固定支架作用，可有效维持跟骨骨折的稳定性。因所有螺孔采用15°万向角设计，可支撑固定区域囊括跟骨前中后关节面骨折、跟骨载距突骨折及跟骨体舌型骨折，具有较广的固定范围。在跟骨体舌形骨折中，可将新型接骨板尾部3 枚螺钉呈扇形分布，并斜向下内侧方向，进行多平面牢固固定舌形骨折。但对于跟骨体粉碎性骨折的病例，新型接骨板的固定效果尚未确切。

①由于跟骨骨折类型的多样性及复杂性，仅通过有限元无法完整全面地模拟所有跟骨骨折情况；②在实际工作中，因跗骨窦切口的视野有限，加之关节面严重的塌陷碎裂，实际复位中易出现局部关节面软骨缺损，与模拟中完美的解剖复位存在一定差距；③本研究为精简计算量，将螺钉及螺孔的螺纹进行了表面光滑处理，缺少钢板与 骨之间的摩擦，未考虑关节周围肌腱、软组织对跟骨的应力作用，以及踝关节负重活动时跟距关节面受力大小和方向的改变等。这些因素都有可能影响有限元分析的结果。为完善新型接骨板精确的应力分析，下一步拟在尸体标本中进行实际生物力学测试，进一步精确研究结论，缩小研究结果统计学误差。

在施加载荷情况下，各亚型跟骨模型的皮质骨与松质骨的应力集中情况与文献研究结果类似。证明新型接骨板治疗各亚型跟骨骨折模型有效。理想的固定方式应当使应力均匀地分布在内固定上，而不应过度集中于某一位置。本研究中，无论是哪一类亚型的跟骨骨折模型，新型接骨板应力均分布均匀。而且在高强度负荷条件下，各亚型跟骨骨折的骨折端位移结果均小于1 mm，加之新型接骨板与螺钉应力结果均未达到其材料本身的屈服强度，说明新型接骨板治疗Sanders Ⅱ、Ⅲ型中各亚型跟骨骨折均有效，可为临床跟骨骨折的手术治疗提供新的固定方式。