跟骨新型微创内固定系统的研发与有限元分析

【摘要】：目的:1.研发一种新型跟骨骨折微创解剖内固定系统,具有高强度、低切迹、固定可靠、便于跗骨窦切口置入等特点,适用于多种跟骨骨折类型。2.构建新型解剖内固定系统、常用锁定接骨板和空心螺钉分别固定跟骨骨折(Sander IIIAB)模型,用有限元法对比分析三种固定方式的强度与稳定性。方法:1.筛选男、女性标准跟骨收集120例正常成人的跟骨CT扫描数据,男、女性各60例,左右足比例1:1,利用Mimics软件进行三维重建,测量以下解剖参数:跟骨全长、跟骨颈高、后关节面高、跟骨体高、跟骨前宽、跟骨颈宽、跟骨最宽、跟骨体宽、跟骨结节关节角、跟骨交叉角、载距突头倾角与内倾角、载距突长、宽、高,筛选出以上解剖参数中男、女性统计学差异性最显著的一项,将其测量结果按升序排列并分成0-33%、33%-66%、66%-100%三个区间,分析各区间内的中位数,对应选取3例标准跟骨,以STL格式导入三维模型处理软件Geomagic Wrap 2017,进行骨面缺损修复、光顺等优化处理后保存。2.跟骨新型解剖内固定系统的设计根据男、女性标准跟骨的长度,设计三款新型接骨板。接骨板底面由四部分组成:(1)头部:接骨板前缘距离跟骰关节2mm,上缘、下缘与跟骨头上下缘一致。(2)颈部:在跟骨颈与跟骨体交界处,接骨板沿Gissane’s角向后上方弯曲。(3)体部:接骨板上、下缘平行于后关节面,向上延伸至关节面顶点,覆盖跟骨整个丘部。(4)尾部:在跟骨体部与结节部交界处,接骨板向下方弯曲,覆盖跟骨体部的后上方。根据上述设计,使用Imageware 13.2软件在标准跟骨的外侧壁表面绘制三种接骨板底面。将设计好的接骨板底面以IGES格式导入Solidworks 2017软件中,进行底面拉厚、裁剪、边缘圆角化等处理,依次在跟骨的四个部分添加螺孔:(1)头部:圆形锁定螺钉孔与克氏针孔,螺孔呈纵向排列,与跟骰关节面平行;(2)体部:在近端添加圆形锁定螺钉孔,远端添加普通椭圆螺钉孔,螺孔排列方向与跟骨丘部的弧度一致;(3)尾部:圆形锁定螺钉孔,排列与接骨板的弧度一致。3.内固定跟骨骨折模型的有限元分析(1)应用Solidwork 2017软件制作Sanders IIIAB型跟骨骨折模型,后关节面的3部分骨折块移位2mm,将骨折模型与新型微创解剖接骨板固定。(2)将该模型导入Hypermesh中,分别赋予接骨板、螺钉及跟骨材料属性,在垂直方向对跟骨加载,以每次150N逐步递增载荷至750N,分析:(1)骨折块的位移分布、应力分布与应力峰值;(2)接骨板的应力分布、应力峰值。(3)建立常用锁定接骨板、空心螺钉固定模型,重复上述有限元法分析模型的应力分布与位移分布,比较三种内固定物的强度与稳定性。结果:1.跟骨的表面解剖测量120例跟骨标本的解剖测量结果表明,同性别左、右跟骨各项解剖参数间差异无统计学意义,而不同性别间除Gissane角、Bohler角、载距突头倾角与内倾角以外的各项参数差异均有统计学意义,其中跟骨长度与宽度的差异最为显著,男性跟骨最宽为(41.84±1.89)mm,女性为(37.94±1.93)mm;男性跟骨全长为(81.14±4.22)mm,女性为(73.70±3.78)mm。我们以跟骨的长度作为参考设计接骨板,将跟骨长度分成0~33%(小)、33~66%(中)、66~100%(大)三个区间。男性小区间与女性中区间、大区间的中位数较接近,约为75mm;女性小区间的中位数小于70mm,而男性中区间、大区间的中位数大于80mm,三者间有明显差异。综上,我们选取了长度分别为70mm、75mm、80mm的三例跟骨作为接骨板设计的标准模型。2.微创解剖接骨板与螺钉孔的设计根据三例标准跟骨长度的解剖差异,我们设计了长度分别为62mm、67mm、72mm的解剖接骨板。接骨板的实体设计如下:(1)接骨板的厚度为1.5mm,接骨板的边缘为半径0.5mm的圆边,头部、尾部的边角为半径3mm的圆角。(2)接骨板的前端距离跟骰关节面3mm,后端距离跟骨后缘5mm,接骨板的头、颈、体的边缘与跟骨上缘的距离均为3mm。(3)接骨板头部宽15mm,设计有直径为3.5mm圆形锁定螺钉孔2枚与直径2.0mm的克氏针孔一枚。(4)接骨板颈部宽10mm,沿Gissane’s角弧度向上弯曲,不设螺钉孔。(5)接骨板体部宽10-15mm,近端设有直径2.4mm的圆形锁定螺钉孔2枚,远端设有长径4mm、短径3.5mm的椭圆普通螺钉孔5枚。(6)接骨板尾部宽10mm,设有直径3.5m圆形锁定螺钉孔3枚。(7)所有螺钉孔边缘相互间距3mm,螺钉孔边缘与接骨板边缘距离3mm。3.垂直方向应力分析:(1)新型微创解剖接骨板与常用锁定接骨板固定最大位移均位于跟骨头,位移距离分别为0.527mm、0.733mm,空心螺钉固定最大位移位于后关节面,位移距离为0.887mm;(2)微创解剖接骨板应力峰值157.06Mpa;常用锁定接骨板应力峰值381.70Mpa;空心螺钉应力峰值424.15Mpa。(3)在微创解剖接骨板模型中,跟骨最大应力位于体部螺钉孔处,应力峰值75.50Mpa;在常用锁定接骨板固定模型中,跟骨的最大应力位于载距突螺钉孔处,应力峰值95.43Mpa;在空心螺钉固定模型中,最大应力位于后关节面下的松质骨内,应力峰值109.9Mpa。结论:新型跟骨解剖接骨板强度高、固定稳定,是一种新型跟骨骨折微创内固定系统。