研究背景下胫腓联合是维持踩关节结构稳定性的重要组成部分之一,在所有踝关节损伤中下胫腓联合损伤约占1-11%。其损伤后诊断错误和治疗不当将影响治疗结果,导致踝关节解剖位置的改变,可能发展为继发性慢性踝关节不稳定,从而导致踝部疼痛和远期创伤性关节炎,以及踝前撞击综合征等并发症。在学科界关于下胫腓联合损伤对踩关节的稳定性影响有多大一直颇具争议,并且临床对其手术治疗时的处理方式上观点也各不相同,主要表现在以下几个方面：植入物的选择方面(螺钉直径、穿越的皮质层数及植入物的材料)、螺钉植入的位置、植入时足踝的体位、术后负重状况、植入物取除的需要与否以及时间选择。下胫腓联合的解剖结构非常复杂,在活体进行韧带损伤后踝关节的生物力学特征研究较为困难。虽然已有不少研究者就此问题做了很多相关的尸体标本的力学研究,并依据研究结果给出了一些指导性的观点,但由于各种研究方法都具有一定的局限性,研究结果并不能完全反映人体的真实状况,故有对其进一步研究的必要。传统骨科生物力学实验方法主要以动物模型或尸体模型为基础,但都有定的弊端和局限性。动物模型在解剖结构和功能上与人类相差太大,因此其结果不能解决有关人类特性的问题；活体实验研究结果虽然最为可靠；但由于实验手段的缺陷往往无法在人体上直接实验,因此在不改生理状态的情况下想得到生物体及内部组织的实验结果十分困难。尸体模型虽然在解剖结构上占据很大的优势,却不具备生物体活组织的特性,且一个标本不能重复使用,使对照研究的可比性大大下降,且实验耗资大,取材来源受限,想得到实验对象内部任意部位的生物力学性能同样十分困难。为了解决这一问题,近年来,随着医学影像技术、三维重建软件以及有限元技术在医学生物力学中的应用和发展,利用数字化技术进行足踝部生物力学研究成为目前学科界的研究热点之一。利用CT扫描图像重建三维模型是目前常用的有限元建模方法,具有精确度高,较好的再现扫描组织的结构,达到良好的几何相似性和力学相似性等特点。与传统力学研究方法相比,有限元方法是一种非常有效的数值计算工具,可以用于研究不规则几何体和具有复杂生物结构的内部形态、应力、应变等力学分析。也可以对有限元模型进行任意的修改以模拟各种病理状态,实现其他研究方法所不能完成的加载方式及约束条件。也可以通过改变加载方式、材料属性等方法进行个体化力学研究,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,更加充分地反映结构内部各部位的形态、应力、应变及位移等情况,并能对各种内固定器材及固定方式进行评价。目的通过获取正常成人的足踝部C丁扫描数据,利用数字化技术建立下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定的有限元模型并提高模型的精确性,探讨数字仿真医学建模的方法及意义。模拟人体静止状态单足中立位站立时踝关节承受全身体重的受力,通过三维有限元法对下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定进行对比评价,比较不同内固定方式之间的生物力学稳定性,为临床应用提供理论依据。方法1.受试对象及图像数据采集选择一名正常志愿者经X线检查排除踝关节损伤或者疾病,进行64排螺旋CT扫描。扫描平面：足底至踝关节上方10cm,扫描层厚：0.45mm；存贮图像格式：DICOM格式。获得DICOM格式的二维图像数据,二维断层CT图像共663层。2.三维有限元模型的建立CT扫描数据导入三维重建软件Mimics10.01,通过阈值分开骨组织及软组织,建立踝关节及周围骨性结构的3D模型,输出为STL格式文件。然后导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0中,对模型进行除噪点、平滑,最后拟合NURBS曲面,输出为Iges文件,最后在UG6.0(Unigraphics NX)软件中缝合,建立踝关节及周围骨性结构的三维实体模型。螺钉模型由UG软件建立,参考临床上AO/ASIF全螺纹皮质骨螺钉的数据确定螺钉直径分别为4.5mm及3.5mm,其长度根据研究需要在上述骨骼实体模型中所测量得到的数据进行调整。由于本研究的重点与螺纹关系不大,因此对模型做了简化,忽略螺钉的螺纹细节,以直径4.5mm及3.5mm的圆柱体代替,输出为Iges文件。将踝关节及螺钉的三维模型导入有限元分析前处理软件HyperWorks10.0中,依据踝部韧带的解剖数据,通过五条纤维束三维排列连接韧带附着点建立韧带模型。根据下胫腓联合分离单一螺钉固定的3个影响因素：1、螺钉距踝关节平面的距离为2cm、3cm、4cm；2、螺钉的直径3.5mmm或4.5mmm；3、螺钉穿越3层或4层皮质骨,螺钉方向由后外向前内呈25～30°角与踝关节面平行、与胫骨呈直角置入共装配得到12种不同固定方式的有限元模型。骨性结构模型采用solid185单元,韧带模型采用link10单元。切断下胫腓前、后韧带模拟下胫腓联合损伤,网格化后对实体模型设置材料属性、边界条件及载荷等前处理,最后导入有限元分析软件ANSYS11.0后处理分析。3.模型的加载及约束条件的设置在Ansys软件中对所有模型进行静力分析。模拟人体静止状态单足中立位站立时踝关节承受全身体重的受力,在胫腓骨上截面加载大小为600N、重力方向的压力,完全约束跟骨和足舟骨。将模型假设为解剖复位,螺钉与骨之间紧密结合无滑动,接触界面两侧单元中的节点平移和转动自由应是相互耦合,采用粘约束。获取各模型的应力分布云图,通过分析应力分布,提取所有模型中螺钉的等效应力值(Von Mises Stress)和胫腓骨的位移图。4.评价指标螺钉的最大von Mises应力及胫腓骨的位移。相同载荷下螺钉的最大应力越小,则螺钉的承载能力越强；相同载荷下胫腓骨的位移越小下胫腓关节的活动相应减小、内固定的生物力学稳定性更好。结果1.利用足踝部CT扫描数据,联合应用Mimics、Geomagic Studio、UG软件建立的螺钉、跺关节及周围骨性结构三维模型几何结构精确、逼真。2.将实体模型导入Hypermesh进行网格划分,赋值,共装配得到12种不同固定方式的下胫腓分离踝关节有限元模型。模型节点数在22461～23182个之间,单元数在75253～78108个之间,导入ANSYS11.0后处理分析。通过加载载荷及施加边界条件,对模型进行有限元分析,与其他文献生物力学实验比较结果相似,证明了本模型的有效性。3.对下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定的模型研究发现,不同内固定方式螺钉应力分布及胫、腓骨的位移不同,所有模型螺钉的应力主要集中于胫腓骨间隙。在相同载荷边界条件下,采用直径4.5mm螺钉距踝关节平面2cm穿越4层皮质骨固定,螺钉von Mises应力最小,胫、腓骨位移最小。在相同螺钉直径及位置下穿越4层皮质骨比穿越3层皮质骨固定时螺钉vonMises应力较小；在相同的位置及穿越相同的皮质骨层数4.5mm螺钉相对3.5mm螺钉固定螺钉von Mises应力减小、胫腓骨位移相对减小,稳定性更好。所有模型中用4.5mm螺钉距踝关节平面2cm穿越4层骨皮质固定,螺钉固定螺钉vonMises应力、胫腓骨位移最小,其承载能力更强,可以取得较好的生物力学稳定性。结论1.本研究利用正常人体足部CT扫描数据,借助Mimics、Geomagic Studio、 Hypermesh、UG等软件,建立的踝关节三维有限元模型几何相似性好,力学仿真度高,可重复性使用,模型准确有效。本模型直接利用Mimics、Geomagic Studio建模,没有掺杂人为因素,大大减少误差,较真实地还原了骨骼的几何模型。专业网格划分软件Hypermesh10.0划分单元质量高,单元大小合理,网格模型形态与实体模型形态一致,并建立了韧带模型,能从力学性能上更加接近于实体,本模型与解剖结构、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踝关节的解剖结构及其受力特点。因此,有限元方法能很好的反映生物力学特性的总体趋势,可以作为标本实验生物力学研究方法的补充。2.通过对下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定的有限元模型分析结果显示,下胫腓联合损伤会导致胫、腓骨下端位移增加,下胫腓联合分离后单一螺钉固定采用直径4.5mm螺钉距踝关节平面2cm穿越4层骨皮质固定,可以取得较好的生物力学稳定性。3.本研究的不足之处,有限元分析时仅模拟人体中立位静止状态单足站立时踝关节的受力状态,没有模拟足踝部动态及多相位进行分析,也忽略了踝关节周围的肌肉拉力、胫腓骨骨间韧带等因素的作用：同时本研究所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续的各向同性材料,与实际情况还有一定差距。因此所得的结果与实际状况可能存在一定的偏差。