跟骨SandersⅡB型骨折双平行螺钉不同角度内固定模型的有限元分析

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目的建立跟骨SandersⅡB型骨折双平行螺钉与跟骨长轴成角内固定模型和双平行螺钉与跟骨长轴平行内固定模型,并对两种模型进行同样条件下的有限元分析,分析对比双平行螺钉与跟骨长轴成角和与跟骨长轴平行两种内固定方式的骨块与内固定物生物力学情况,为临床跟骨SandersⅡB型骨折治疗提供理论依据。方法将获取的健康成年男性踝关节CT数据导入Mimics软件进行跟骨网格化模型的三维重建,通过Geomagic软件对网格化模型进行拟合曲面等处理后,转化为跟骨实体模型,导入Solidwork软件中建立跟骨SandersⅡB型骨折模型,并在骨折模型上建立双平行螺钉两种不同角度内固定的模型,分别为平行双螺钉与跟骨长轴之间成角和平行双螺钉与跟骨长轴平行两种内固定术后模型,最后导入ANSYS 17.0进行有限元分析,通过设定相应的边界条件,并对两种模型均进行有限元素分割后,分别对两种模型施加垂直地面向下600N的力,以有限元分析计算,探究不同角度固定方式下骨折块的位移程度、应力分布及内固定物的形变程度、应力分布等。结果本研究建立了数种仿真模型,包括:跟骨模型,跟骨SandersⅡB型骨折模型,跟骨SandersⅡB型骨折双平行螺钉与跟骨长轴成角内固定模型及跟骨SandersⅡB型骨折双平行螺钉与跟骨长轴平行内固定模型。并对跟骨骨折内固定模型进行了完整的有限元分析条件设定。双平行螺钉与跟骨长轴成角和与跟骨长轴平行这两组模型的骨折块最大位移点均位于跟骰关节处,总位移峰值分别为0.19955mm和0.17815mm,均<1mm。双平行螺钉与跟骨长轴成角和与跟骨长轴平行这两组模型的骨折块整体应力峰值分别为98.618MPa和79.382MPa,均位于设置为与地面固定的跟骨结节处,两组模型的骨折断面最高应力均位于大骨折块的骨折面,位置均在两组模型均在跟距关节底部皮质骨骨折线处,大小分别为19.424MPa和20.994MPa。但无论是模型整体应力还是骨折断面应力,高应力区范围均小,应力分布均较为均匀,且大部分应力小。双平行螺钉与跟骨长轴成角和与跟骨长轴平行这两组模型的螺钉形变峰值分别为:0.12938mm和0.16293mm。两组模型的螺钉形变均呈现出上方螺钉形变<下方螺钉形变,且双螺钉形变最大值均为位于下方螺钉靠近跟距关节面顶端,即固定小骨折块部分的末端。其中螺钉与跟骨长轴成角组中上下两枚螺钉形变程度较为接近,而螺钉与跟骨长轴平行组中下方螺钉形变程度远大于上方螺钉,下方螺钉钉头端形变程度大。双平行螺钉与跟骨长轴成角和与跟骨长轴平行这两组模型的螺钉应力峰值分别为:39.596MPa和47.489MPa;螺钉与大骨折块骨折面相交处最大应力为8.124MPa和7.7081MPa;螺钉与小骨折块骨折面相交处最大应力为4.343MPa和4.6912MPa。两组内固定方式的螺钉整体应力均呈现出足背面靠近施压面的应力高,向两边应力递减趋势。螺钉与跟骨长轴成角组中,上方螺钉与大、小骨折块交界处应力较为均匀,交界处的高应力区域只出现在下方螺钉与骨折面的交界处,而螺钉与跟骨长轴平行组中,上下两枚螺钉均在与骨折面的交界处出现高应力区域。结论对跟骨SandersⅡB型骨折进行双平行螺钉内固定治疗时,无论是螺钉与跟骨长轴平行进钉,还是与跟骨长轴成角进钉,均能有效维持复位效果,促进骨折的愈合。而在术后单足静止站立条件下,与跟骨长轴成角的进钉方式使螺钉的应力分布更加均匀,峰值更小,致使其整体形变均匀,最大形变程度更小,具有更小的退钉、断钉风险及更好的内固定物稳定性、安全性。使用有限元分析方法对骨折模型进行生物力学研究,具有可重复性,较好的仿真性,以及足够的可信度,能为临床中各手术方式的选择提供生物力学参考。
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