距骨颈骨折内固定方法的有限元分析

摘要

目的:
　　 1、依据1名正常男性志愿者踝关节中立位下螺旋CT扫描的右侧踝关节面上10cm以下的足踩部影像学资料,探讨利用Mimics、ANSYSWorkbench等软件构建出解剖结构精细的正常踝关节三维有限元模型的方法,并对其有效性进行验证,使其能反映正常足踝部的力学特性。
　　 2、根据所构建的正常足踝部的三维有限元模型,模拟人体静态中立位单足站立负重状态、踝关节受到内旋力,探讨距骨及周围韧带在此活动方式中的生物力学反应,为研究距骨颈骨折的发生机制提供理论依据,同时对其结果的有效性进行验证。
　　 3、根据所构建的正常足踝部的三维有限元模型,模拟建立距骨颈骨折的模型,并在距骨颈骨折模型基础上分别建立前后位和后前位螺钉固定模型,探讨不同固定方法在模拟人体中立位单足站立距骨的应力、位移分布,为距骨颈骨折的治疗提供理论依据。
　　 方法:
　　 1、数字化足踝部三维有限元模型的构建与验证:采用中国医科大学影像中心的Brilliance64排iCT,扫描参数:电压120KV,电流强度372.5mA,螺距0.297,层厚0.625mm,矩阵512X512,重建层厚0.9mm。对志愿者右足自踝关节上10cm胫腓骨远端向下扫描至足底,扫描时右足保持中立位,以DICOM格式输入个人计算机的Mimics10.01软件,经自动或手动阈值分割后三维重建出完整足踝部的5块骨骼及18条韧带(91条线单元),以IGES格式导出韧带,再以STL格式将骨骼导入Geomagic10.0,生成几何体及软骨后,与韧带一起导入Ansys13.0的Workbench模块中重建装配体。建立的模型包含胫骨、腓骨、距骨、跟骨、舟骨及其关节软骨和18条韧带。参照Anderson等方法,通过模拟人体单足站立状态下的力学传递,对模型胫骨下端的上截面施加600N垂直压缩载荷,固定跟骨,约束距骨、胫骨在Y方向的运动,约束舟骨在Y、Z方向的运动。测量踝关节胫骨下关节面的最大接触压力、接触面积,并将结果与前者进行对照。
　　 2、距骨生物力学的有限元分析:参照Liacoums和Wayne的方法,通过模拟人体单足站立状态下踝关节受到内旋力,对胫骨下端的上截面施加67N垂直压缩载荷及2.7N/m的内旋载荷,固定跟骨,约束舟骨在Y、Z方向的运动。测量距骨的位移、应力分布及周围韧带的抗阻力。
　　 3、距骨颈骨折的有限元分析:将距骨导入Solidwork2007中,沿距骨沟对距骨在冠状面进行分割;同时在Solidwork2007中制作4.Smm螺钉,并在Gcomagic10.0中调整螺钉位置,模拟不同的固定方法,将分割体、螺钉导入Workbench中,重建装配体。参照Anderson等方法,通过模拟人体单足站立状态下的力学传递,对模型胫骨下端的上截面施加600N垂直载荷,固定跟骨,约束距骨、胫骨在Y方向的运动,约束舟骨在Y、Z方向的运动,测量采用不同方法固定距骨骨折时距骨的位移及最大应力,并与完整距骨的结果相比较及相互间比较。
　　 结果:
　　 1、本研究所构建的足踝部三维有限元模型在中立位施加600N垂直压缩载荷,接触应力主要分布于胫骨下关节面的前、外侧,最大应力处于2.49MPa-3.74MPa之间,在分布区域和分布趋势、数值大小上基本上与Anderson等的实验结果一致,初步证明本模型是有效的。
　　 2、本研究所构建的足踝部三维有限元模型在中立位施加67N垂直压缩载荷及2.7N/m的内旋载荷,距骨的最大位移在其外侧,最大值为0.39mm;最大应力在距骨颈,最大应力值为3.75Mpa;四条踝关节周围主要韧带抗阻力对比:下胫腓骨联合前韧带＞跟腓韧带＞胫跟韧带＞胫舟韧带。
　　 3、对不同方法内固定距骨骨折的研究发现:距骨骨折后,距骨的位移减少,其中X轴的位移减少,Y、Z轴的位移增加;距骨的最大应力大幅度增加,最大应力主要位于螺钉周围。不同固定方法间的比较结果为:(1)距骨的位移及X轴的位移:Intact＞P-C＞A-C＞A-E＞P-E＞P-1＞A-1;(2)距骨Y、Z轴的位移:Intact＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1＜A-1;(3)最大应力值:Intact＜＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1＜A-1。
　　 结论:
　　 1、本研究利用Mimics、Workbench等软件依据螺旋CT扫描的二维图像构建出了解剖结构精细的正常人体足踝部三维有限元模型,相对客观地反映了足踝部的基本解剖结构和力学特性,模型经验证有效,并可在模型上模拟足踝部不同受力方式进行力学分析。
　　 2、距骨颈骨折的发生机制是距骨颈应力集中以及自身的薄弱性。
　　 3、距骨颈骨折不同方法螺钉内固定模型结果分析显示:螺钉固定距骨颈骨折时,后前位好于前后位;双螺钉好于单螺钉;交叉固定好于平行固定。