Pilon 变异的后踝骨折的形态分析和损伤机制的三维有限元分析

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张光明（复旦大学附属中山医院)

【摘要】目的：探讨 Pilon变异的后踝骨折的形态特点和损伤机制。方法：收集我院骨科后踝骨折患者电子计算机断层扫描(CT)图像,共 22 例Pilon变异的后踝骨折的患者纳入研究。观察图形特点并测量轴位图像上骨折部分所占比例;矢状位图像骨折块的最大高度;矢状位图像骨折线与水平面之间的角度。并利用 1 例健康成年男性的足踝 CT扫描数据建立三维有限元模型 ,对模型施加不同强度的垂直暴力或旋转暴力 ,探索 Pilon变异的后踝骨折的损伤机制。结果：当踝关节跖屈3o°时,施加 1.5 倍体重垂直暴力时,后踝的最大应力区集中在胫骨远端后内侧区域 ,最大应力为78.68 mPa;施加2.5 倍体重垂直暴力,最大应力为 151.42 mPa。当踝关节跖屈增加到4o。时9,再施加1.5 倍体重垂直暴力时,应力集中点向外移动 ,集中在在胫骨远端后侧,最大应力为 111.78 mPa;施加2.5 倍体重垂直暴力时 ,最大应力为165.63 mPa。当对踝关节施加旋转暴力时 ,应力主要集中在外踝和胫骨远端后外侧区域。结论：Pilon变异的后踝骨折有独特的损伤机制 ,与踝关节所处的位置有主要关系 ,是踝关节跖屈3o。左右时由垂直暴力合并旋转暴力所致。

【关键词】后踝骨折;Pilon 变异;损伤机制;三维有限元

临床上约有 19% 的后踝骨折骨折线遍及整个后踝冠状面甚至延伸至内踝前丘[1] (图 1 所示),其损伤机制无法用经典的 Lauge-Hansen 分型来解释 ,而且这种特殊类型骨折的定义与命名一直未取得一致[2]。2ooo年最早采用" 后 Pilon 骨折" 这一命名 ,认为这种骨折是介于低能量旋转暴力所致踝关节骨折与高能量垂直暴力所致 Pilon骨折之间的中间类型[3]。因这类骨折还有 Pilon 骨折的特点 ,众多学者倾向于采用" 后 Pilon 骨折"这一命名[4-6] ,也有学者更谨慎地将其命名为"Pilon变异的后踝骨折" [7] 。因此在本研究采用"Pilon变异的后踝骨折" 命名这类骨折 , 由于 Pilon 变异的后踝骨折易误诊为经典的三踝骨折而导致治疗效果不佳 ,有学者根据各自临床经验提出多种分型方法以帮助鉴别、诊断 ,但其损伤机制、治疗方案仍缺乏深入研究[4-5] 。我们对Pilon变异的后踝骨折的形态进行了分析并通过三维有限元探讨其损伤机制。

图 1：Pilon 变异的后踝骨折1型后踝骨折骨折线遍及整个后踝冠状面并分为后外和后内两块 ,关节内有游离骨块 ,胫距关节脱位。

资料与方法

1 .形态学分析:(1) 一般资料:收集我院骨科 2o13年1 月至 2o16 年 1 月连续 3 年的后踝骨折患者电子计算机断层扫描(CT)图像。排除标准:年龄18岁 ,踝关节明显退变,踝关节炎, 陈旧性骨折 ,踝关节肿瘤的患者。共筛选出 Pilon变异的后踝骨折 22 例;(2) 初步分类:1 型:后内侧骨折块较大,为整块,后内侧胫骨嶙完整性遭到破坏(图 1 所示);2 型:后内侧骨块为小碎骨块,后内侧胫骨嶙基本完整(图2 所示);(3) 测量内容:轴位图像上骨折部分所占比例;矢状位图像骨折块的最大高度;矢状位图像骨折线与水平面之间的角度(图 3 所示),测量工具为院内 PACs( 影像归档与通讯)系统 , 由两名医师测量取其平均值。

2 .三维有限元分析:(1) 资料获取:采集 1 例健康成年男性(体重 7o kg) 足踝关节部位的薄层 CT扫描数据 ,作为建模的图像来源;(2)CAD( 计算机辅助设计)模型建立:用Mimics17.o软件通过界定阈值、区域增长、编辑等过程进行骨性分离 ,提取踝关节骨骼,建立踝关节三维CAD模型(图 4 所示);(3) 建立有限元模型: 将在 Mimics软件中建立的3D模型使用Remesh功能进行光顺处理 ,然后输出 igs格式文件 ,导入Hypermesh进行网格划分、设置边界条件、设置材料参数等前处理工作 ,最后用 ABAOUs软件进行求解计算。骨性结构采用三维实体( 六面体) 单元划分网格 ,皮质骨厚度为2.5 mm, 松质骨部分用质量点代替。依据韧带解剖数据,通过 5 条纤维束三维排列连接韧带附着点建立韧带模型 , 图 5 所示为踝关节有限元分析模型。 (4) 材料参数及材料模型:踝关节各部分骨骼材料参数如表 1 ,2 所示。骨骼密度为 1.64 g/cm3 [8] 。 (5)检验模型:将完整的踝关节模型的接触面积和接触压力峰值与多个尸体标本的测量结果进行比较 , 以保证模型的正确性。(6) 力学分析:通过对踝关节在给定的载荷条件下的动力分析 ,计算踝关节在给定冲击载荷下的受力状况(表3)。