J Orthop Surg Res：切开复位内固定和经皮微创内固定固定Sanders II型和III型跟骨骨折的生物力学特征

跟骨骨折占全身骨折的2%，占足部骨折的60%，其中移位性关节内骨折占75%。跟骨骨折通常是由于从高处坠落时对跟骨的冲击造成的。高能撞击跟骨会导致距骨后关节面塌陷。跟骨小梁按其所受张力和压力的方向排列，包括张力小梁和压力小梁。距骨后关节面下方有致密的压力小梁。由于跟骨的特殊解剖结构，主要的负重区域是距骨后关节面，这也是大多数跟骨骨折发生的地方。跟骨骨折主要表现为脚跟压痛，不能在地上行走，影响人的健康和生活。治疗跟骨骨折的最佳方法尚不清楚。

手术治疗方案包括切开复位内固定(ORIF)和经皮微创固定(PMIF)。ORIF适用于移位的跟骨骨折，特别是跟骨关节内骨折，能有效恢复后脚承受重负荷的力线。该治疗通过使用钢板、螺钉等植入物，在可靠固定和准确修复方面取得了良好的效果，治愈率超过75%。手术治疗的目的是恢复跟骨的几何形状和关节面的平整度。骨折块复位后能否准确恢复距骨后关节面及距下三个关节面之间的解剖关系，其程度与跟骨骨折的临床疗效密切相关。ORIF需要广泛剥离软组织以充分暴露骨折，术后软组织切口边缘可能感染甚至坏死，对机体的损伤更大。PMIF适用于轻度跟骨骨折伴跟骨高度部分丧失和轻度增宽，可借助钢钉和克氏针重新定位。该方法不需要广泛的软组织剥离，避免软组织坏死，减少术中出血，降低术后并发症的风险。移位的跟骨关节内骨折的治疗仍然是一个挑战。研究表明，传统的ORIF更有效，但并发症发生率较高，为11.7%至35%。近年来，PMIF技术显著降低了术后并发症发生率至0-13%。

近年来，随着计算机技术、生物力学、医学、物理学的不断发展，有限元模拟技术在骨折固定等领域得到越来越多的应用。欧阳汉斌通过拓扑优化设计了一种生物力学性能良好的跟骨锁定钢板，并采用有限元法与常规锁定钢板进行比较。结果表明，新设计具有更合理的应力分布和更强的疲劳强度。Ming Ni利用有限元软件模拟可吸收螺钉固定跟骨骨折后的生物力学特性，计算跟骨及植入物的应力和位移分布。结果显示跟骨的应力和位移都在可接受的范围内，这与张的结果相似。ching - huan Chen分析了使用全锁定、非锁定和混合螺钉固定Sanders II型跟骨骨折的情况，发现混合螺钉比全锁定螺钉具有生物力学优势。Qing-Jiang Pang采用有限元方法研究了距骨支撑螺钉固定跟骨骨折的必要性，发现距骨支撑螺钉是实现生物力学稳定性的关键。多次临床手术证明，微创螺钉能准确恢复跟骨解剖结构，预后良好。在大多数情况下，韧带、足底筋膜和骨骼软组织的牵引力没有被考虑在内。Ming Zhang和Duo Wai-Chi Wong开发了一种用于计算骨科中单主体有限元分析(MQSSFE)的方法学质量评估工具。该工具包含模型重构与配置、模型验证、模型假设与有效性等6个领域共37个项目。将MQSSFE与改进的Down and Black仪器进行比较，证明MQSSFE是有效可靠的。

跟骨和植入物在手术早期和术后愈合阶段都具有复杂的力学行为。这是由于骨骼的几何形状、骨折部位和植入物的结构共同作用的结果。传统切开复位手术更有效，但并发症发生率较高。由于微创技术的发展，跟骨骨折并发症可以有效地减少。然而，由于跟骨骨折的复杂性，外科医生需要根据患者的特点和具体情况选择合适的治疗方案，以达到更好的术后疗效。

总之，本研究使用有限元分析(FEA)比较了ORIF和PMIF手术入路固定跟骨骨折的生物力学特性。目的是研究生物力学性能的差异。本研究:(1)克服了临床手术不可逆性的缺点，减少了实验耗材，在一定程度上节约了成本，通过临床反馈可对仿真参数进行多次优化，所得结果有助于探索人类骨科疾病的发病机制和完善模型;(2)骨骼肌系统的力学研究，植入物和其他骨科康复设备的开发以及手术优化;(3)通过参数力学模拟，为临床医生设计和完善治疗方案和康复方案提供参考。

方法：根据人体足部及踝关节的CT图像，按照三点固定原则，即talentaculum，固定前突和跟骨结节。建立ORIF和PMIF固定Sanders II型和III型跟骨骨折的三维有限元模型。约束胫骨、腓骨和软组织近端表面，增加地面反作用力和跟腱力负荷，模拟平衡站立。

ORIF和PMIF固定Sanders II型和III型跟骨骨折的建模步骤

Sanders II型、III型跟骨骨折的CT图像:a、IIa:骨折线位于骨折线外侧;b IIb:骨折线内侧;c IIc:靠近支撑骨的骨折线;III型距后关节面三段式骨折:IIIab, IIIac, IIIbc

图3 a ORIF固定Sanders II型骨折;b PMIF固定Sanders II型骨折;ORIF固定Sanders III型骨折;PMIF固定Sanders III型骨折

材料参数

a模型的载荷和边界条件;b足踝复合体的有限元模型

MFF膜压力测试系统测量足底压力

有限元分析与实测足底压力分布的比较

Sandersⅱ型(a1 ~ a3)的von Mises应力(MPa)大小及分布;Sanders III型(b1-b3)跟骨骨折ORIF固定

Sandersⅱ型(a1 ~ a2)的von Mises应力(MPa)大小及分布;Sanders III型(b1-b2)跟骨骨折经PMIF固定

Sandersⅱ型(a1 ~ a3)的位移大小和分布(mm);Sanders III型(b1-b3)跟骨骨折ORIF固定

Sanders II型(a1-a2)的位移大小和分布(mm);Sanders III型(b1-b2)跟骨骨折经PMIF固定

结果：ORIF组跟骨、螺钉和钢板的最大应力分别为80.54、211.59和113.88 MPa, PMIF组跟骨和螺钉的最大应力分别为70.02和209.46 MPa;ORIF组跟骨、螺钉和钢板的最大位移分别为0.26、0.21和0.12 mm, PMIF组跟骨和螺钉的最大位移分别为0.20和0.14 mm。模拟得到的数值都在模型所用材料的允许应力和弹性变形范围内，没有出现明显的应力集中。与ORIF组相比，PMIF组固定Sanders II型和III型跟骨骨折时，跟骨和假体的最大应力和最大位移略低。

结论：本研究可为优化种植体设计、制定个体化术前计划及临床手术入路选择提供参考。

原始出处：

Ren W,  Zhang K,  Zhao Z,Biomechanical characteristics of Sanders type II and III calcaneal fractures fixed by open reduction and internal fixation and percutaneous minimally invasive fixation.J Orthop Surg Res 2024 Mar 05;19(1)