研究背景跟骨是足内、外侧纵弓的共同后壁和足外侧柱的重要后部。其上部具有前、中、后三个关节面,与距骨构成距下关节复合体,维持距下关节运动和力学的稳定。其后关节面的面积最大,承受大部分体重。距下关节是联系中后足和踝关节运动的中间环节,中跗关节的正常活动需要距下关节的配合。跟骨的正常形态既是保证中后足关节正常对位,维持足弓形态及稳定的重要条件,又是保证跨踝关节的小腿肌肉正常发挥作用的基础。跟骨骨折是最常见的跗骨骨折,占跗骨骨折的60%,占全身骨折的2%,约75%为关节内骨折,20%-45%伴有跟骰关节损伤。因跟骨及周围解剖结构复杂,局部软组织覆盖质量差,故治疗困难,且后遗症多,预后较差。近20年来,随着抗生素、影像技术、内固定和微创技术的迅速发展,以及对后足部生物力学及跟骨骨折认识的深入,其临床疗效不断提高。目前,治疗跟骨骨折的方法很多,各有其适应证和优、缺点,临床上应根据患者的损伤程度、骨折类型、全身及局部情况和科室的技术条件选择合理有效的治疗方法。跟骨骨折导致跟骨长度缩短、宽度增加、高度降低,距下关节不平整,跟骨轴侧向成角,跟骨结节关节角(Bohler角)减小、消失或反角,Gissane角缩小或增大,距骨倾斜角缩小和消失。这将造成足弓塌陷,影响足的整体外形和力学稳定,并可形成创伤性扁平足。跟骨三个关节面之间正常关系的丧失、关节面的不平整和移位必将引起距下关节受力和运动的改变,造成距下关节及其周围关节的继发性损伤,如创伤性关节炎等。跟骰关节面骨折将严重影响中跗关节的正常运动功能和距下关节的外翻活动,造成的跟骰关节创伤性关节炎,影响足的正常行走。严重距下关节面破坏和软骨缺损者可发生自发性关节融合,丧失活动功能。后足外翻、跟骨增宽短缩、高度降低和外侧壁外膨不仅造成穿鞋困难,而且造成腓骨长、短肌腱卡压。另外,下降的外踝直接接触或碰撞跟骨外侧壁可出现跟腓撞击征,长期可形成假关节。跟腱止点上移,导致腓肠肌和比目鱼肌的肌力减弱。后足力线的改变可使小腿肌肉的拉力方向、力矩和肌力发生改变,最终发生足踝部疼痛和功能障碍。此外,足踝关节的运动力线异常和双侧肢体不等长,将影响整个下肢和脊柱的正常功能,过早发生腰背痛和颈肩痛。因此,治疗跟骨骨折的目的是恢复后足的正常生物力学特点和功能,避免造成各种不良后果。随着数字仿真建模技术及有限元法的发展,数字虚拟逐渐应用到临床诊断、治疗及实验研究。与以往的生物力学实验相比,有限元方法是一种非常有用的数值计算工具,可以用几何及数字非线性进行复杂结构内部应力、应变分析。可以完成其他研究方法所不能实现的加载方式及约束条件,标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。有限元模型也可以提供实验不能得到的正常生理信息,得到客观实体实验所难以得到的研究结果。可以通过改变载荷加载方式、改变材料特性等方法进行个体化受力分析。由于跟骨结构的复杂性、运动的多样性、个体的差异性,迄今为止,跟骨生物力学研究中尚无一个可以完全模拟生理状态的有限元模型。生理状况下,跟骨的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境。本研究利用CT数据,建立合理的跟骨数字仿真及三维有限元模型,研究跟骨及周围结构的生物力学特性,对跟骨的高度改变、Bohler角度改变及两种内固定固定Sanders Ⅳ型骨折的力学固定特点进行综合分析,以期为足踝外科领域生物力学研究提供新的手段。目的1.利用数字化技术,建立跟骨及周围结构的数字虚拟仿真模型,探讨数字仿真医学建模的方法及意义；2.建立正常步态下跟骨及周围结构的三维有限元模型,分析正常步态下跟骨生物力学变化；3.研究单足站立状态下,跟骨Bohler角度减少5°、10°、15°、20°、25°时距下关节、距骨、跟骰关节、足底的应力分布变化,分析保守治疗跟骨关节外骨折时Bolher角需要恢复的角度。4.研究单足站立状态下,跟骨高度减少5mm、10mm、15mm、20mm时距下关节、距骨、跟骰关节、足底的应力分布变化,分析术中需要恢复跟骨的高度。5.对跟骨锁定钢板和解剖型钢板治疗Sanders Ⅳ型跟骨骨折时距下关节、距骨、跟骨骨折块、跟骰关节的应力分布及位移进行综合比较分析,以得出SandersⅣ型跟骨骨折的治疗方案并推断出内固定的合理改进方向。方法1.数字化足踝部三维有限元模型的构建与验证：采用南方医科大学南方医院影像中心的LightSpeed16排螺旋CT,扫描参数：电压120～140KV,电流强度240～300mA,螺距1.375～1.75,层厚7.5mm,矩阵512×512,重建层厚0.625mm。对志愿者右足自踝关节上20cm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28块骨骼及外围软组织的三维结构,再以点云输出并导入SolidWorks2009,利用网格处理向导及曲面生成向导生成几何模型并重建装配体,然后分别导入两种有限元分析软件：(1)方法一为导入有限元分析软件ANSYS12.0的Workbench模块建立完整的足踝部有限元模型。在踝关节的接触面两侧根据关节间隙分别建立了0.5mm关节软骨,其他关节采用仅受压的三维杆单元模拟软骨,并建立了125条弹簧模拟韧带和小腿骨间膜,5条梁单元模拟跖筋膜,材料属性分别参照文献确定。然后参照Anderson等方法,对模型仅取胫骨及距骨所构成的简单踝关节模型加以测试。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700N垂直载荷,对距骨予以约束。测量踝关节胫骨下关节面的接触压力、接触面积,并将结果与前者进行对照。(2)方法二为导入Simulation建立简化的踝关节有限元模型。根据研究需要,分别建立了包含胫骨、腓骨、距骨、跟骨及舟骨的5骨装配体,以及还包括骰骨及3块楔骨的9骨装配体的有限元模型。在模型中用“仅延伸”的弹簧模拟韧带连接,其中在踝关节5骨装配体中共建立了31条弹簧,而在9骨装配体中建立了42条弹簧模拟踝关节周围韧带及小腿骨间膜等连接装置。定义各组织的材料属性,并通过自动或手动方法在各关节间生成接触对,设置相应的边界条件分别在踝关节5骨装配体有限元模型上模拟人体单足站立及踝关节内、外旋运动加载,而在踝关节9骨装配体有限元模型上模拟踝关节内、外翻运动加载,然后设置好网格划分密度生成网格并设置算例属性进行运算。2.在不改变距下关节面的条件下将Bohler角的角度逐渐减少5度、10度、15度、20度、25度,并分别进行楔形截骨,最终生成6种有限元模型。假设为骨折面完全断裂并处于接触状态,摩擦系数为0.3。将跟骨、足部负重区三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为零作为边界条件,即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为0。于胫骨端予以模型700N轴向应力,计算此应力下模型的应力分布及位移分布。3.在不改变距下关节面的条件下将跟骨高度逐渐减少5mm、10mm、15mm、20mm、并分别进行楔形截骨。最终生成5种有限元模型。假设为骨折面完全断裂并处于接触状态,摩擦系数为0.3。将跟骨、足部负重区三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为零作为边界条件,即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为O。于胫骨端予以模型700N轴向应力,计算此应力下模型的应力分布及位移分布。4.根据Sanders Ⅳ型骨折对跟骨进行截骨,保持关节面的平整及各骨折块摩擦关系。同时根据跟骨解剖型和锁定钢板形态重建出两种骨折内固定有限元模型。假设为骨折面完全断裂并处于接触状态,摩擦系数为0.3。解剖型钢板设置为摩擦接触,锁定钢板则设置为不接触,将跟骨、足部负重区三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为零作为边界条件,即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为0。普通加压钢板设定与跟骨接触为加压摩擦接触,锁定钢板与跟骨间不考虑加压摩擦接触。计算该状态下跟骨与钢板的应力分布、位移。结果1.在按方法一所建的完整的足踝部有限元模型中,将胫、距骨组成的踝关节测试结果与Anderson等实验结果对照后发现,二者在中立位踝关节垂直加载下应力主要分布于胫骨下关节面中部及前外侧,最大应力处于2.7MPa-4.0MPa之间,在分布区域和分布趋势、数值大小上基本一致,初步证明本模型是有效的。按方法二所建立的简化的两个踝关节三维有限元模型经测试可以模拟踝关节的不同受力情况,并可进行正确的加载运算,而且单元数、节点数、运算时间适中。各种加载后所产生的应力、位移的结果合理,比较贴近真实状况。将结果与Liacouras和Wayne在相同边界条件下所作的踝关节外旋模拟实验结果进行了对比,发现本模型在踝关节外旋加载中胫骨的旋转角度为3.85°,与其有限元模型计算的4.28°比较接近,另外本模型的主要关节的接触力大小也与其结果对应性较好,证明了本模型的有效性。2.当跟骨的Bohler角分别减少5°、10°、15°、20°、25°时,距下关节面的应力峰值分别增加了11.3%、12%、18.5%、19.8%、32.1%；距骨应力峰值分别增加3%、12.6%、27.6%、54%、70.6%；跟骰关节面应力随着Bohler角减少而不断减小,应力峰值分别减少2.3%、4.7%、15.4%、20.3%、20.4%;足底应力集中于跟骨底部,应力峰值值分别增大11.3%、11.6%、18.6%、19.8%、32.1%。3.跟骨高度分别减少5mmm、10mm、15mm、20mm时,距下关节面的应力峰值分别增加了10.3%、18.5%、35.4%、54.7%；距骨侧的应力峰值分别增加了最大应力值分别增加8.9%、9.8%、16.1%、16.7%；跟骰关节面应力随着跟骨高度减少而不断减小,应力峰值分别减少2.3%、4.4%、22.4%、67.4%、80.1%；足底应力主要集中于足跟处,应力峰值分别增大10.2%、18.4%、35.4%、54.7%。4.使用锁定钢板固定后最大应力集中于钢板螺钉交界处,应力峰值为143.49MPa,上排螺钉中部、钢板中后部存在应力集中现象；解剖型钢板应力分布相对均匀,螺钉应力分布均匀,最大应力位于钢板中后部,应力峰值为102.49MPa;距骨及跟骨各骨折块的应力峰值均为锁定钢板大于解剖型钢板。两种钢板内固定模型主要位移均分布于近关节面的螺钉处,其中锁定钢板的位移小于解剖型钢板模型,分别为0.222mm,0.389mm;锁定钢板固定的骨折块位移峰值均小于解剖型钢板。结论1.基于CT扫描数据,利用Mimics、Geomagic Studio、UG软件,建立距骨及周围骨骼的三维数字仿真模型,这种方法可行、有效,建模速度较快,且对人体无损害。所建模型包含大量信息量,具有和实体相似的几何形状,能够较真实模拟原模型。2.三维有限元法是生物力学研究的一种理论方法,可以模拟各种结构的几何模型,赋予各种组织的生物材料属性,能很好的反映其生物力学特性的总体趋势,因而可以作为标本实验生物力学研究方法很好的补充。本研究利用人体足踝部CT数据,借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Ansys等软件,建立了距骨及周围结构的有限元模型与正常人体具有良好的几何相似性。本模型与目前文献报道的同类研究模型相比,网格划分均匀,单元质量较高,因此,分析结果更加精确。同时,由于数字模型可拆分的特点,应用具有极大的灵活性,在研究对象的选择上,可对足踝部诸骨独立研究,进一步扩大了本模型的应用范围。除此之外,作为整体,通过与解剖结构、病理生理、临床研究等多方面生物力学实验研究相关文献对比,证明本模型具有良好的物理相似性,更能够准确和完整地模拟跟骨的解剖结构及其受力特点,有利于对跟骨进行生物力学分析。3. Bohler角改变对距下关节、跟骰关节、足底的应力影响较小,而对胫距关节的影响较大,术中需要根据骨折情况尽量恢复患者的Bohler角,对于Bohler角减小10°以内的骨折,如无其他手术指征可选择保守治疗；跟骨高度的改变对距下关节、跟骰关节及足底的应力改变较大,而对胫距关节影响较小,术中需要将跟骨高度的改变控制在15mm之内,避免远期关节功能的影响。4.切开复位钢板内固定治疗粉碎性跟骨骨折,尤其对于Sanders Ⅳ型骨折,维持关节面平整非常重要。锁定钢板对于维持关节面的平整略显优势,而解剖型加压钢板能够分散骨折端的应力,钢板与骨块间的摩擦力作用也能起一定代偿作用。且在所有骨块中,载距突产生位移最大,因此跟骨钢板的设计需要对载距突部分进行重点固定。结合桡骨远端骨折、胫骨平台骨折治疗理论,对于跟骨骨折的钢板可以设计为,两枚锁定螺钉固定于载距突,跟骨上排螺钉采用锁定螺钉与加压螺钉间断排列,平行于关节面打入；足底部位以两枚锁定螺钉固定前后两端,其余部分均采用普通松质骨螺钉固定。此钢板能够同时满足钢板与骨折端的加压作用同时也发挥了锁定螺钉的部分优势。无论何种内固定方式关节内碎骨快可随足部负重而产生不同程度移位,存在较高创伤性关节炎的风险,建议采用一期外固定二期关节融合治疗。