背景:近年来随着计算机科学及医学影像技术的不断发展,三维有限元分析作为一种新兴的生物力学研究方法,在足踝外科领域得到了广泛应用。通过有限元方法可对骨折的发生机制、内固定的稳定性等方面进行研究。有限元技术与传统生物力学实验互为补充,为骨科疾病的诊断、治疗提供了丰富的理论基础。目的:内踝垂直剪切骨折多发生于旋后内收型踝关节损伤。对于此类骨折目前多采用抗滑钢板及空心螺钉两种固定方式。利用有限元分析方法分别建立胫骨远端60°、75°、90°内踝骨折模型,所有骨折均采用两枚空心螺钉固定。模拟旋后内收型踝关节损伤时空心螺钉固定强度随骨折角度变化的情况。观察指标包括骨折最大位移、应力分布云图。探索空心螺钉固定不同角度内踝骨折时,固定强度的变化规律,并为旋后内收型踝关节Ⅱ度损伤内踝骨折固定方式的选择提供生物力学依据。方法:选择一位健康男性志愿者,获取踝关节CT扫描图像。将扫描数据以DICOM格式导入到Mimics13.0软件。利用阈值调整工具(Thresholding)提取骨骼轮廓,界定阈值在230~3020Hu,区分出骨组织与软组织,生成踝部骨骼蒙皮(Mask),然后采用3D技术生成踝部骨骼模型。利用三维区域增长(3D Region Growing)工具选择热区,分割出胫骨远端模型,对轮廓表面进行简单光滑、填补处理,最终生成了胫骨远端3D立体模型。采用同样的方法建立胫骨远端松质骨3D立体模型,对上述两个3D模型进行布尔运算(Boolean),生成胫骨远端皮质骨3D立体模型。将生成的皮质骨及松质骨3D立体模型以STL格式(Standard Template Library)导入逆向工程软件Geomagic9.0,对模型进行简化、去噪、光滑、三维曲面构型等修饰后再次导入Mimics13.0软件。利用草图切割及布尔运算,装配构建60°、75°及90°内踝骨折空心钉固定模型。将模型进行网格划分,依次生成面网格、体网格,以CDB格式保存,并输入到ANSYS软件FE模块中。对模型重新划分为四面体网格,最终生成了内踝骨折空心钉固定有限元模型。于内踝施加100N,200N,300N轴向剪切负荷,模拟旋后内收型踝关节损伤时距骨内翻挤压内踝时的情况,记录骨折移位程度及骨质应力分布情况。分别用5.7Mp,3.9Mp,2.2Mp三个点来划分不同骨密度下松质骨的屈服强度,从应力云图上判断骨质切割情况。结果:1位移情况:同种模型,当负荷逐渐增大时,骨折最大位移逐渐增大。同种负荷,当骨折角度逐渐增大时,骨折最大位移也逐渐增大。当剪切负荷为200N及300N时,90°内踝骨折模型最大位移超过了2mm。2应力分布情况:空心钉螺纹与松质骨接触区为应力集中区域之一。将三种剪切负荷加载于90°内踝骨折模型,螺纹区域一定范围的松质骨所受应力超过5.7Mp(正常骨量松质骨的屈服强度),提示骨小梁发生屈服形变,空心螺钉尾部把持力降低,内固定失稳。结论:1采用空心螺钉固定内踝剪切型骨折在一定负重范围内均能达到固定要求;但角度越大,骨折移位程度越明显;建议垂直型内踝骨折采用抗滑钢板固定。2使用空心钉固定内踝剪切型骨折,当距骨挤压内踝时,空心钉螺纹与松质骨接触区为应力集中区域之一,对于骨质疏松患者其骨质屈服强度均低于正常成人,单纯空心螺钉固定,容易在应力集中区域发生切割导致内固定失败,建议抗滑钢板固定。3垂直型内踝骨折患者早期功能锻炼时应尽量在矢状面上进行踝关节屈伸锻炼,避免过早内翻旋转动作,导致距骨挤压内踝,引发骨折剪切移位。4通过三维有限元技术建立内踝骨折模型,不同实验条件下对模型进行仿真骨科生物力学分析,操作简单,数据可靠,在某种程度上可与传统的生物力学分析相互验证,互为补充,具有良好的发展前景。