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經(jīng)皮交叉螺釘內(nèi)固定是治療跟骨非嚴(yán)重粉碎骨折的重要方法，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等獨(dú)特優(yōu)勢。由于螺釘固定不能提供與鋼板固定類似的框架式穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，研究人員對其治療跟骨骨折時是否具有足夠的穩(wěn)定性一直存有爭議，術(shù)后的早期功能鍛煉也受到一定限制。
有限元分析方法是一種重要的生物力學(xué)研究工具，可以計算復(fù)雜形態(tài)物體在不同載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。在踝足外科中，有限元分析可以為假體設(shè)計、臨床治療方案和內(nèi)固定材料選擇提供參考。Bayod等通過有限元法研究跟骨松質(zhì)骨缺損與應(yīng)力分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著骨缺損增大，跟骨應(yīng)力可發(fā)生明顯變化；當(dāng)缺損超過1cm3時，最大應(yīng)力增加約1倍，骨折風(fēng)險也明顯增加。王一民等通過有限元法模擬鎖定鋼板治療SanderIV型跟骨骨折，發(fā)現(xiàn)術(shù)后存在較高創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險，而對現(xiàn)有鋼板進(jìn)行改良可以達(dá)到提高手術(shù)療效的目的。
目前，有關(guān)跟骨骨折微創(chuàng)與傳統(tǒng)治療方法的生物力學(xué)穩(wěn)定性比較還鮮有報道。為此，本文通過建立跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的有限元模型，比較采用交叉螺釘與鋼板兩種不同固定方式在生理荷載下的穩(wěn)定性，為臨床跟骨骨折治療提供參考。
選取1名正常男性志愿者，32歲，身高172cm，體重65kg，下肢及足部無病變、外傷和畸形。應(yīng)用GE公司LightSpeed64排螺旋CT掃描機(jī)沿人體橫斷面以層厚1.25mm、螺距1.25mm自上而下進(jìn)行螺旋掃描。掃描范圍起于脛骨中下1/3至足底，共得到220張CT圖片，實際建模采用中間有效圖片80張。
使用Mimics17.0軟件的醫(yī)學(xué)圖像分割功能根據(jù)CT圖像灰度提取跟骨的三維輪廓點云，并對皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行有效區(qū)分。將采集的點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic12.0，在其中模型經(jīng)歷點階段(pointphase)、多邊形階段(polygonphase)、成形階段(shapephase)3個處理階段。在點階段，對輸入的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，清除由于圖片處理失誤造成的雜亂數(shù)據(jù)。干凈點云自動形成三角面片進(jìn)入多邊形階段；在多邊形階段，運(yùn)用基于曲率的孔填充、光順等操作對三角面片進(jìn)行編輯，構(gòu)建實體外形；在成形階段，實體是模型構(gòu)建的中心環(huán)節(jié)。對曲面域基于曲率劃分，最后將生成的曲面轉(zhuǎn)化成C1連續(xù)的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。
將Geomagic12.0里生成的實體模型IGES文件導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中去，通過布爾運(yùn)算建立皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨模型。建立3個模型：①正常跟骨模型；②以4枚螺釘固定的SanderIII型跟骨骨折模型。兩枚螺釘由跟骨外側(cè)向內(nèi)橫向固定于載距突，兩枚螺釘由跟骨結(jié)節(jié)向跟骰關(guān)節(jié)方向縱向固定；③以鎖定鋼板固定的跟骨骨折模型。各模塊在ABAQUS 13.4中用C3D10結(jié)構(gòu)實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。骨組織材料屬性參數(shù)參考文獻(xiàn)，其中皮質(zhì)骨彈性模量為10GPa，泊松比為0.3；松質(zhì)骨彈性模量為1.45GPa，泊松比為0.2。鋼板與螺釘?shù)牟牧蠟殁伜辖穑鋵傩园磪⒖嘉墨I(xiàn)選取，彈性模量為200GPa，泊松比為0.28。
固定跟骨結(jié)節(jié)后下緣、跟骰關(guān)節(jié)各方向自由度，模擬單足站立姿態(tài)。從距骨垂直向下均勻分布加載700N，模擬正常體重。
對完整跟骨實體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共生成實體單元105030個，節(jié)點20021個；交叉螺釘固定跟骨模型，生成實體單元146608個，節(jié)點30018個；鋼板固定跟骨模型，生成實體單元186176個，節(jié)點39698個。骨及螺釘應(yīng)力集中區(qū)主要分布在跟骰關(guān)節(jié)、跟骨結(jié)節(jié)后下緣等處，最大應(yīng)力為10.19Mpa；中立三角為低應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力分布與跟骨的生理受力基本一致，考慮建模誤差和有限元計算誤差，結(jié)果非常理想。
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