空心螺钉植入方式对距下关节应力分布及融合疗效的影响

【摘要】：距下关节融合术是治疗严重距下关节炎的金标准，影响距下关节融合疗效的手术因素包括入路的选择、软骨面去除、骨移植物的应用及固定方式的选择等，固定方式的选择是距下关节融合成败的关键因素之一；目前，固定方式较多，螺钉固定已成为主要的固定方式，但何种螺钉植入方式对距下关节面既能均匀加压，又具有强有力的抗内外翻及抗旋转尚无确切的定论。 笔者参照国内外学者的相关研究进展、结合距下关节的解剖及临床操作的可行性、安全性，自行设计了内外侧平行螺钉植入方式，即将距骨颈、跟骨后结节横向分为三等分，经皮从距骨颈向跟骨后结节植入导针后，一枚螺钉从距骨颈的外侧等分点向跟骨后结节对应等分点植入，另一枚从跟骨后结节内侧等分点向距骨颈对应等分点植入。目前，该方法对距下关节的应力分布、抗内外翻力及抗旋转力缺少强有力的生物力学证据及临床疗效报告。 基于三维有限元强大的建模功能，在动静状态下能够对具有复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究，因足部骨骼形状各异、结构复杂、组织众多，受力后其应力和应变的计算涉及到非线性计算问题。因此通过三维有限元分析方法，不仅可以得到整个足部三维结构的应力状态，还可重复性地研究接触应力，从而显示关节面的应力分布情况。 本课题拟通过三维有限元分析，找到对距下关节应力分布最均匀的螺钉植入方式，即应力分布最均匀的螺钉植入，在此基础上，比较自行设计的内外侧平行螺钉植入方式、经典的前后纵向平行螺钉植入方式在应力分布、抗内外翻及抗旋转的差异；进一步通过临床疗效分析，证实自行设计的内外侧平行螺钉植入方式的安全性、有效性及可靠性。 第一部分空心螺钉植入方式对距下关节应力分布的影响 通过三维有限元分析，探讨空心螺钉植入方式对距下关节面应力分布的影响，获得对距下关节应力分布最均匀的空心螺钉植入方式，进一步比较自行设计的内外侧平行螺钉植入方式、经典的前后纵向平行螺钉植入方式在应力分布、抗旋转力及抗内外翻力的差异。 2.1实验一：寻找对距下关节应力分布最均匀的空心螺钉植入方式 2.1.1材料与方法 2.1.1.1建立距下关节三维有限元模型 利用正常男性的足踝部螺旋CT扫描数据,运用三维建模软件,建立距骨、跟骨及螺钉三维几何模型,并对其进行有限元网格划分。 2.1.1.2在跟骨及距骨三维有限元模型上，设定螺钉植入基本条件：1.两枚螺钉（直径为7.3mm）通过距下关节面；2.螺钉进出骨面区域：距骨颈骨面（居于前踝关节线和距舟关节线之内），跟骨后结节和跟骨后上结节区域；3.对距下关节面应力分布最均匀。寻找应力分布最均匀的螺钉植入方式，包括：两枚螺钉间距、最佳植入点、螺钉与距下关节面角度。 2.1.2实验结果 对距下关节面应力分布最均匀的螺钉植入方式是在距骨颈区域，外侧螺钉接近距骨颈边缘，内侧螺钉靠近踝关节距骨面；在跟骨后上结节区域，外侧螺钉位于后上结节边缘，内侧螺钉靠近跟腱止点，两枚螺钉的间距为1.2cm，螺钉与距下关节面成角45度，对距下关节面的均布应力值为7.510MPa，最大均布面积为79.56mm2。 2.2实验二：对比分析三种螺钉植入方式的应力分布、抗内翻力及旋转力 2.2.1材料与方法 2.2.1.1建立距下关节三维有限元模型。 2.2.1.2测试自行设计的内外侧平行螺钉植入对距下关节面的应力分布、抗旋转力及抗内外翻力。 2.2.1.3测试经典的前后纵向平行螺钉植入对距下关节面的应力分布、抗旋转力及抗内外翻力。 2.2.1.4测试应力分布最均匀的螺钉植入的抗旋转力及抗内外翻力。 2.2.1.5对比分析三种螺钉植入对距下关节的应力分布。 2.2.1.6对比分析三种螺钉植入对距下关节的抗内外翻力及抗旋转力。 2.2.2实验结果 2.2.2.1自行设计的内外侧平行螺钉植入在应力分布均匀程度、抗内外翻力及抗旋转力方面，优于经典的前后纵向平行螺钉植入。 2.2.2.2自行设计的内外侧平行螺钉植入在应力分布均匀程度差于应力分布最均匀螺钉植入，但在抗内外翻力及抗旋转力方面略优于应力分布最均匀螺钉植入。 2.3结论 2.3.1找到对距下关节应力分布最均匀的螺钉植入方式，在距骨颈区域，外侧螺钉接近距骨颈边缘，内侧螺钉靠近踝关节距骨面；在跟骨后上结节区域，外侧螺钉位于后上结节边缘，内侧螺钉靠近跟腱止点。 2.3.2自行设计的内外侧平行螺钉植入在应力分布均匀程度略差于应力分布最均匀螺钉植入，但比经典的前后纵向平行螺钉植入应力分布更均匀。 2.3.3自行设计的内外侧平行螺钉植入在抗内外翻及抗旋转力优于应力分布最均匀螺钉植入和经典的前后纵向平行螺钉植入方式。 2.3.4自行设计的内外侧平行螺钉植入具有定位简单、操作方便、安全性好。 第二部分自行设计的内外侧平行螺钉植入行距下关节融合的疗效分析 通过临床疗效进一步验证自行设计的内外侧平行螺钉植入行距下关节融合的有效性、可行性及安全性。 3.1材料与方法 3.1.1病例收集 2008年04月～2012年04月，对保守治疗6个月以上无效的严重距下关节炎88例患者（90足）行距下关节融合治疗，男性，56例，女性32例，平均年龄43.7岁(15-74岁)。 3.1.2采用自行设计的内外侧平行螺钉植入行距下关节融合 3.1.3临床评估 包括一般情况评估、功能评估及影像学评估；一般情况评估包括症状缓解、并发症、满意度及伤口愈合情况，功能评估包括AOFAS踝-后足评分、VAS评分；术前影像学评估包括：跟骨正位、侧位及轴位X线及踝关节MRI，当存在后足严重畸形及跟骨骨折时，需行踝关节CT；术后影像学评估包括：跟骨正位、轴位及侧位X线，当X线不能准确判断距下关节融合时，行踝关节CT检查，明确距下关节融合情况。 3.2实验结果 76例患者得到随访，随访率89.4%，根据以上标准，61例患者临床资料完整，平均随访18.5月(6-40月)；术后X片或CT显示60例患者已骨性融合，其中1例患者出现骨不愈合，融合率为98.3℅，平均融合时间11.8周（8-16周）；术前与末次随访时VAS评分由6.00分下降至1.03分，差异有统计学意义（P0.005），术前与末次随访时AOFAS分由57.0分增至80.6分，差异有统计学意义（P0.005），术前评分10例良，49例中，9例差，优良率16%；术后评分20例优，35例良，11例中，2例差，优良率90.8%；58例患者对手术结果满意，2例在术后6月内出现了前足外侧麻木，2例在术后5月内出现后足疼痛，1例在术后1.5年出现了中足疼痛，1例患者出现了跟腱挛缩。 3.3结论 自行设计的内外侧平行螺钉植入行距下关节融合具有融合率高，术中易于定位、恢复快、并发症少等优点。