Haraguchi Ⅱ型后踝骨折3種內固定方式的有限元分析

程邦君 黃燕峰 羅軼

上海市第六人民醫院金山分院骨科 （上海 201599）

后踝骨折多由旋轉或（和）垂直暴力導致，單獨發生少見，多數同時伴有內外踝骨折和（或）踝關節韌帶受損，以往未引起足夠重視，近年來隨著三維CT 掃描技術的發展，后踝骨折逐漸被臨床醫師所關注。目前后踝骨折臨床研究報道較多，對于內固定方式的選擇臨床多傾向于空心螺釘或鋼板，但對于臨床各種固定材料在有限元生物力學方面的穩定性報道較少［1-4］。經醫學倫理審核［倫研批第（jsxxyy202022）］，本研究應用計算機建立Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型，通過對使用空心螺釘、支撐鋼板及重建鋼板固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型來行有限元分析，評價3 種內固定材料的生物力學性能，從有限元生物力學角度尋找Haraguchi Ⅱ型后踝骨折的固定方法，為臨床對此類后踝骨折固定材料的應用提供一定的基礎理論依據。

1 資料與方法

1.1 材料及軟件選取1 名健康的成年男性志愿者，年齡40 歲，身高175 cm，體質量74 kg，排除下肢及足部腫瘤、外傷、畸形等異常情況。應用128排螺旋CT掃描雙下肢（掃描條件：層厚0.6 mm、螺距0.6 mm 自上而下進行螺旋掃描）。將采集的CT 掃描數據以Dicom 格式保存；選用Mimics 19.0、Geomagic 2013、Hypermesh 14.0、Solidworks 2014 等軟件進行數據分析。

1.2 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型建立使用Mimics 19.0 軟件的醫學圖像分割功能根據CT 圖像灰度提取脛骨的三維輪廓的Dicom 數據。將采集的Dicom 數據文件導入逆向工程軟件Geomagic Studio 2013，運用網格醫生、基于曲率的孔填充和雕刻刀等操作對三角面片進行編輯，構建脛骨實體外形，同時根據Haraguchi 對后踝骨折的分類構建Ⅱ型后踝骨折模型。

1.3 內固定材料有限元模型建立將Geomagic Studio 2013 處理過的Dicom 數據導入Mimics 19.0中的3-matic 插件中進行表面網格劃分并生成體網格，最后保存成ABAQUS 文件。將所保存的ABAQUS文件導入有限元軟件ABAQUS 6.10-1中，分別建立4 個模型：（1）正常脛骨模型；（2）以3 枚后踝空心螺釘+2 枚內踝空心螺釘固定的HaraguchiⅡ型后踝骨折模型（圖1A）；（3）以后踝支撐鋼板+2 枚內踝空心螺釘固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（圖1B）；（4）以后踝重建鋼板+2 枚內踝空心螺釘固定的Haraguchi Ⅱ型后踝骨折模型（圖1C）。在ABAQUS 6.10-1 中對各模型進行網格劃分，同時對模型中各種材料進行賦值（表1［5-6］）。

表1 有限元模型中各種材料屬性Tab.1 Various material properties in finite element models

圖1 Haraguchi Ⅱ型后踝骨折不同固定材料的內固定模型Fig.1 Internal fixation models of Haraguchi typeⅡ posterior ankle fractures using different fixation materials

1.4 模型的邊界條件及加載固定脛骨遠端各方向自由度，模擬單足站立姿態，從脛骨垂直向下均勻分布加載500 N，模擬正常體質量（體質量60 kg）［7］。載荷施加方向與下肢力學軸方向一致。

1.5 評價指標獲取不同固定材料固定的應力值和位移值。在不同后踝骨折材料固定下所受的應力值越大，固定材料易發生松動或（和斷裂）情況；脛骨的總體位移越小，內固定穩定性越好。

2 結果

2.1 后踝骨折的有限元模型結果對完整脛骨實體模型進行有限元網格劃分，共生成實體單元76 513 個，節點12 866 個；螺釘固定后踝模型，共生成實體單元112 553 個，節點72 914 個；支撐鋼板固定后踝模型，共生成實體單元126 655 個，節點85 667 個；重建鋼板固定后踝模型，共生成實體單元115 054 個，節點69 509 個。

2.2 完整脛骨的有限元模型結果完整脛骨受單腿站立載荷時，應力集中區主要分布在靠近腓骨的脛骨下側和遠離腓骨的脛骨上側處，最大應力為6.71 MPa（圖2A）。完整脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.294 mm，由脛骨上關節面向內踝關節面遞減分布（圖2B）。

圖2 完整脛骨應力及位移云圖Fig.2 Complete tibial stress and displacement cloud map

2.3 空心螺釘固定后踝骨折分析結果空心螺釘固定后踝時，應力集中于空心螺釘與骨折端接觸的位置，分布范圍較小。3 枚后踝空心螺釘中，處于上方位置的空心螺釘最高應力大于其他2 枚空心螺釘，靠近內踝側空心螺釘最高應力小于其他2 枚空心螺釘。3 枚空心螺釘的最大應力分別為43.2、12.7 和7.8 MPa；2 枚內踝空心螺釘中，位于上方位置的空心螺釘最高應力大于下方位置的空心螺釘，2 枚空心螺釘的最大應力分別為5.6 和5.4 MPa，而3 枚空心螺釘固定時的脛骨最大應力為29.4 MPa（圖3A）。空心螺釘固定脛骨的總位移變化范圍為0～0.391 mm，同樣由脛骨上關節面向內踝關節面遞減分布（圖3B）。

圖3 空心螺釘固定后踝骨折模型的應力及位移云圖Fig.3 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with hollow screws

2.4 支撐鋼板固定后踝骨折分析結果支撐鋼板固定后踝骨折時，高應力區集中于靠近腓骨一側的鋼板部分。支撐鋼板固定時的整體應力高于空心螺釘，最大主應力為241.1 MPa；用于固定支撐鋼板的4 個螺釘的最大應力為101.6 MPa，集中在螺釘與支撐鋼板和脛骨連接處；2 枚內踝空心螺釘中，位于上方的空心螺釘的最高應力大于下方位置的空心螺釘，其最大應力分別為2.5 MPa 和2.2 MPa。支撐鋼板固定時的脛骨最大應力為24.7 MPa（圖4A）。支撐鋼板固定脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.349 mm，也是由脛骨上關節面向內踝關節面遞減分布（圖4B）。

圖4 支撐鋼板固定后踝骨折模型的應力及位移云圖Fig.4 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model fixed with supporting steel plate

2.5 重建鋼板固定后踝骨折分析結果重建鋼板固定后踝骨折時，高應力區集中于靠近腓骨一側的鋼板部分。重建鋼板固定時的整體應力低于支撐鋼板，最大主應力為221.3 MPa；用于固定重建鋼板的5 個螺釘的最大應力為61.9 MPa，應力集中在螺釘釘與重建鋼板和脛骨連接處；2 枚內踝空心螺釘中，位于上方的空心螺釘的最高應力小于下方位置的空心螺釘，其最大應力分別為1.4 和1.6 MPa。重建鋼板固定時的脛骨最大應力為16.0 MPa（圖5A）。重建鋼板固定脛骨的總位移變化范圍為0 ～ 0.323 mm，同樣由脛骨上關節面向內踝關節面遞減分布（圖5B）。

圖5 重建鋼板固定后踝骨折模型的應力及位移云圖Fig.5 Stress and displacement cloud map of ankle fracture model after reconstruction with steel plate fixation

3 討論

HARAGUCHI 等［8］根據病理解剖學和踝關節CT 將后踝骨折分為三型，其中Ⅱ型為內側延伸型，即骨折線自脛骨遠端腓切跡延伸至內踝，其中部分病例后踝骨塊分為后外和后內兩部分。后踝不僅是踝關節的骨性穩定結構，還是下脛腓后韌帶和踝關節后關節囊的附著部位，后踝骨折會使兩者穩定性遭到破壞，從而使踝關節骨性關節炎的發生率提高，影響踝關節功能［9-11］。目前臨床上HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的手術固定方法主要有鋼板和空心螺釘，但仍存在較多爭議。許多學者［12-15］通過臨床及相關生物力學研究發現，使用空心螺釘對后踝骨折進行固定，具有明顯優勢及穩定性；而另一部分學者［16-20］研究發現，后踝骨折塊采用鋼板固定較螺釘固定更佳穩定，更有助于恢復踝關節的穩定性。但以上研究對后踝骨折分型、骨折塊的大小、使用的固定材料、損傷情況各有不同，本研究以HARAGUCHIⅡ型后踝骨折的不同固定材料為切入點，研究探討3 種不同固定材料的生物力學穩定性。

本研究模擬了HARAGUCHIⅡ型后踝骨折模型，分別采用3 枚空心螺釘、支撐鋼板及重建鋼板對同一模型進行固定，以模型的相關應力和位移作為評判指標，確定3 種固定材料的強度及穩定性。本研究結果發現空心螺釘固定的模型應力集中于空心螺釘與骨折端接觸位置，而鋼板固定的模型應力卻集中于靠近腓骨側的鋼板上，同時鋼板組應力明顯高于螺釘固定組，但重建鋼板組低于支撐鋼板組，同時還發現鋼板組固定鋼板的螺釘所受應力也是重建鋼板組最小；螺釘及鋼板應力大，就容易出現螺釘和鋼板疲勞，出現松動或（和）斷裂的情況發生，從而導致固定失效。同時發現3 種固定模型中，脛骨所受的應力是螺釘組最大，重建鋼板組最小。還發現在3 種不同材料固定的模型中，不同固定材料對內踝固定的螺釘應力也是不同的，表現為螺釘組內踝螺釘所受應力最大，而重建鋼板組內踝螺釘所受應力最小。因此，鋼板組整體應力較螺釘組具有明顯的優勢，其不僅使自身的應力相對分散，同時也使內踝螺釘所受應力減小，增加了內踝螺釘的穩定性；而重建鋼板組較支撐鋼板組具有應力更小，穩定性更好的性能。

模型位移情況可以反映固定材料的生物力學穩定性，整體位移變化范圍越大，反映模型的生物力學穩定性越差。本研究顯示螺釘組位移最大，鋼板組次之，重建鋼板位移較支撐鋼板變化更小，反映了重建鋼板的穩定性最佳。重建鋼板的穩定性最佳的原因可能因為重建鋼板呈“L”型，可能可以提供更好的三角固定有關，同時重建鋼板可以提供更大的接觸面，相當于空心螺釘和支撐鋼板固定的組合，使后踝骨折塊更佳穩定，故其各項性能優于空心螺釘組和支撐鋼板組。

雖然三維有限元技術通過計算機技術模擬臨床手術技術，有較高的準確性，但它畢竟是通過計算機技術模擬而成的一種相對理想化的模型，沒有考慮踝關節周圍的韌帶、軟組織等因素對踝關節穩定性的影響；本研究為靜止研究，還有待循環加載條件進一步驗證；本研究沒有考慮其他后踝骨折分型、骨折塊的大小對內固定材料的影響，后續可以根據骨折塊大小設定不同內固定材料的牢固性。因此，本課題還需進一步相關研究，以求得到更加可靠、全面的結論。

綜上所述，對于HARAGUCHIⅡ型后踝骨折，選擇后踝鋼板固定+內踝空心螺釘的固定方式，具有明顯的生物力學穩定性優勢；但重建鋼板固定后踝骨折較支撐鋼板的穩定性更好，為一種固定后踝骨折的理想材料，對臨床具有一定的指導性。

【Author contributions】CHENG Bangjun performed the experiments and wrote the article. CHENG Bangjun and HUANG Yanfeng performed the experiments. HUANG Yanfeng revised the article. HUANG Yanfeng and LUO Yi designed the study and reviewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

【Conflict of interest】The authors declare no conflict of interest.