研究背景：胫骨平台骨折(Tibial Plateau Fracture)是一种创伤骨科常见的损伤,随着交通事故伤的日益增加,其发病率也呈上升趋势。胫骨平台骨折属关节内骨折,多因胫骨平台关节面破坏而影响膝关节功能,治疗难度大,极易遗留关节功能障碍。胫骨平台后柱骨折是其中的特殊类型,多是高能量损伤的结果,常为复杂胫骨平台骨折的一部分,也可单独出现。其受伤机制主要是膝关节屈曲时受到轴向的暴力作用造成胫骨平台后髁在冠状面上的损伤。当创伤严重时,还可造成前后交叉韧带、半月板及胭窝血管不同程度的损伤。长期以来,胫骨平台后柱骨折未得到足够重视和充分认识,后柱骨折的骨折线通常位于冠状面,X线侧位片上后内侧、后外侧平台重叠,不能准确地反映骨折的严重程度,临床有漏诊和干扰治疗的可能。传统的Schatzker分型及AO分型等分型方法均未独立描述后柱骨折,在指导临床治疗上存在盲区,造成漏诊。近年来,胫骨平台骨折的基础与临床研究有了新的发展趋势,由于内外侧柱骨折的治疗方法已经规范化、成熟化,研究热点逐步转向了后柱骨折,各种手术入路方式、内固定产品也不断被提出,但由于膝关节后方解剖层次复杂,手术显露及骨折复位困难,尤其是后内侧、后外侧同时骨折时更加困难,造成胭窝神经、血管损伤的风险很大,传统的手术入路、内固定器械难以满足骨折复位与固定的要求。医疗器械尤其是骨折固定器,对力学性能的要求非常严格,如骨折内固定使用的接骨板设计不当,板上的螺钉安装孔容易造成应力集中,导致接骨板断裂。同时,接骨板又不能做得过于坚硬,否则会对骨折愈合产生强大的应力遮挡作用,影响骨折愈合。通过对接骨板进行有限元分析能够显示结构应力、应变和位移分布,使设计者了解结构的力学特性,发现结构强度或刚度的薄弱点,从而改进和优化设计。在内固定物选择上,国内外众多学者进行了针对胫骨平台后侧的解剖测量和内固定物设计,但由于胫骨上端后侧解剖形态欠规则,缺乏准确的解剖学描述和解剖测量方法,一直未取得实质性进展,到目前为止尚无公认的、广泛应用的胫骨平台后侧专用解剖型接骨板,手术医师不得不采用上肢接骨板、通用型接骨板等非专用材料经手工折弯后固定胫骨平台后侧的骨折块,非专用接骨板无法完全贴合骨折部位,难以达到坚强固定的要求,影响骨折的复位固定效果。有限元法能通过控制组织的形状、结构、材料属性和载荷情况,能更准确地模拟机体的力学环境,对于复杂生物力学分析,具有可重复性高、实验条件容易控制和实验时间短等多方面的优势,给骨科生物力学的发展提供了广阔的前景。综上所述,本研究以三维影像学资料为原始材料,拟对胫骨近端的解剖结构进行精细化测量,设计出适合国人的胫骨平台后侧解剖型接骨板,并通过有限元分析方法验证其可行性与实用性,以期最终运用于临床。目的：1、对胫骨近端后侧进行三维形态学测量,确定相关解剖学参数的分布范围与相关性,为胫骨近端后侧接骨板、人工膝关节假体等内固定器械的设计提供参考依据。2、设计新型的胫骨近端后侧解剖接骨板,对新设计胫骨近端后侧解剖接骨板进行三维有限元生物力学分析与对比研究,评价其力学性能与临床应用可行性。方法：1、图像数据采集与解剖学测量选取完整、健康的成人干燥胫骨标本60根(左、右两组各30根)行CT扫描,将扫描图像以DICOM格式输出,导入Mimics14.1软件,利用数字化三维重建技术重建胫骨,标定相关解剖标志,测量胫骨近端后侧相关解剖参数。2、解剖型接骨板设计以解剖测量结果为依据,利用机械设计软件Solidworks绘制出符合胫骨平台后侧几何形态特征的接骨板,包括胫骨平台后外侧柱、后内侧柱解剖型接骨板和胫骨平台后正中解剖型接骨板。3、骨折模型建立与有限元模型装配选取一名健康成年男性志愿者,经X线片排除下肢病变、变异,对双下肢行螺旋CT扫描,扫描层厚0.625mm,获得双下肢断层扫描图像数据,导入Mimics14.1软件构建下肢骨骼三维模型,再导入Geomagic Studio10.0软件进行光滑处理,模拟后内侧柱及后正中骨折进行截骨,按照骨科手术固定要求将骨折模型与内固定器械进行装配,生成不同固定方式的有限元模型。4、有限元生物力学分析有限元分析分为三组,第一组为解剖型接骨板与“T”型接骨板固定胫骨平台后外侧柱骨折的对比研究,第二组为解剖型接骨板与“T”型接骨板固定胫骨平台后内侧柱骨折的对比研究,第三组为解剖型接骨板与“T”型接骨板固定胫骨平台后正中骨折的对比研究。将上述有限元骨折模型导入ANSYS14.5软件,设定材料属性、边界条件及载荷方式,模拟正常人缓慢行走时单腿所承受的载荷(750N),于最大峰值时进行分析,评价指标为胫骨、骨折块及接骨板应力分布情况,骨折块及内固定物位移值。结果：1、基于CT原始数据重建的胫骨近段三维模型保真度高、立体感强,通过自由旋转可从任意角度观察、测量,全方位地展示了胫骨近端复杂的几何学形态。测量结果如下：后侧正中高度(8.46±1.62)mm,后内侧高度(12.27±1.93)mm,后内侧斜坡长度(14.71±2.27)mm,后内侧平台斜坡角(132.02±11.62)mm,后内侧斜坡骨干角(147.28±10.72)mm,后外侧高度(11.31±1.74)mm,后外侧斜坡长度(14.45±2.26)mm,后外侧平台斜坡角(124.01±9.81)mm,后外侧斜坡骨干角(141.88±9.09)mm,所有测量参数双侧差异无统计学意义(P>0.05)。后正中高度、后外侧高度和后外侧斜坡长度与胫骨全长具有相关性(P<0.01)。2、利用Mimics、Geomagic Studio、ANSYS等软件建立完整胫骨三维模型,经有限元验证后分别建立了胫骨平台后内侧柱骨折和后正中骨折模型,并与设计的解剖型接骨板或“T”型接骨板装配,构成完整的骨折-接骨板三维模型。3、有限元力学分析分后外侧柱、后内侧柱和后正中骨折三组进行。后外侧柱骨折实验组分析结果显示解剖型接骨板与传统“T”型接骨板固定后胫骨整体的应力分布均匀,整个胫骨未出现应力集中现象,解剖型接骨板固定时应力分布更加合理(内固定物最大应力分别为32.125MPa和78.403MPa),骨折块及内固定物位移较小(骨折块位移最大值分别为6.1822mm和6.3906mm,内固定物位移最大值分别为6.1975mm和6.3836mm)。后内侧柱骨折实验组分析结果显示解剖型接骨板与传统“T”型接骨板固定后胫骨整体的应力分布均匀,整个胫骨未出现应力集中现象,解剖型接骨板固定时应力分布更加合理(内固定物最大应力分别为51.024MPa和88.726MPa),骨折块及内固定物位移较小(骨折块位移最大值分别为3.7701mm和6.6905mm,内固定物位移最大值分别为2.0731mm和6.7007mm)。后正中骨折实验组分析结果显示解剖型接骨板固定时应力分布更加合理(内固定物最大应力分别为31.438Mpa和70.041Mpa),发生内固定物疲劳断裂的风险更低,两者骨折块及内固定物位移值差异不大(骨折块位移最大值分别为6.9950mm和7.0084mm,内固定物位移最大值分别为6.9065mm和6.4828mm)。结论：1、本研究运用三维成像技术和数字医学的基本原理和基本方法,利用胫骨标本的CT扫描数据重建了胫骨三维模型,几何相似性高,能精确反映骨骼的局部解剖特征,解剖学测量结果准确可靠,可重复使用,测量结果为解剖型接骨板设计提供了依据；通过模拟截骨、内固定物装配建立的胫骨平台后柱骨折的有限元三维模型与实际相近,能满足实验分析的要求,有限元分析输出结果清楚、直观,观察结果方便。2、解剖型接骨板与传统“T"型接骨板均能达到有效固定胫骨平台后外侧柱及后内侧柱骨折的目的,解剖型接骨板固定时应力分布更均匀,发生内固定物疲劳断裂及骨折再移位的风险更低,是临床应用的较好选择。3、解剖型接骨板与传统“T”型接骨板固定胫骨平台后正中骨折的可靠性相当,内固定物及骨折块位移值接近,但解剖型接骨板固定时内固定物应力值较小,分布合理,提示其力学性能更佳,适合临床推广应用。4、本研究应用的有限元分析方法存在一些不足,由于采取了简化模型,忽略了膝关节周围肌肉、韧带等软组织的拉力；此外,胫骨被假设为是均质、性能相同的材料,与骨骼实体有一点差距,应力加载方式与实际情况亦有差异。有限元分析方法应该与传统生物力学相结合,优势互补,才能使实验结果更加真实、客观。