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經皮交叉螺釘內固定是治療跟骨非嚴重粉碎骨折的重要方法，具有創傷小、恢復快、并發癥少等獨特優勢。由于螺釘固定不能提供與鋼板固定類似的框架式穩定結構，研究人員對其治療跟骨骨折時是否具有足夠的穩定性一直存有爭議，術后的早期功能鍛煉也受到一定限制。
有限元分析方法是一種重要的生物力學研究工具，可以計算復雜形態物體在不同載荷下的應力、應變和位移。在踝足外科中，有限元分析可以為假體設計、臨床治療方案和內固定材料選擇提供參考。Bayod等通過有限元法研究跟骨松質骨缺損與應力分布的關系，發現隨著骨缺損增大，跟骨應力可發生明顯變化；當缺損超過1cm3時，最大應力增加約1倍，骨折風險也明顯增加。王一民等通過有限元法模擬鎖定鋼板治療SanderIV型跟骨骨折，發現術后存在較高創傷性關節炎的風險，而對現有鋼板進行改良可以達到提高手術療效的目的。
目前，有關跟骨骨折微創與傳統治療方法的生物力學穩定性比較還鮮有報道。為此，本文通過建立跟骨關節內骨折的有限元模型，比較采用交叉螺釘與鋼板兩種不同固定方式在生理荷載下的穩定性，為臨床跟骨骨折治療提供參考。
選取1名正常男性志愿者，32歲，身高172cm，體重65kg，下肢及足部無病變、外傷和畸形。應用GE公司LightSpeed64排螺旋CT掃描機沿人體橫斷面以層厚1.25mm、螺距1.25mm自上而下進行螺旋掃描。掃描范圍起于脛骨中下1/3至足底，共得到220張CT圖片，實際建模采用中間有效圖片80張。
使用Mimics17.0軟件的醫學圖像分割功能根據CT圖像灰度提取跟骨的三維輪廓點云，并對皮質骨和松質骨進行有效區分。將采集的點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic12.0，在其中模型經歷點階段(pointphase)、多邊形階段(polygonphase)、成形階段(shapephase)3個處理階段。在點階段，對輸入的點云數據進行清理，清除由于圖片處理失誤造成的雜亂數據。干凈點云自動形成三角面片進入多邊形階段；在多邊形階段，運用基于曲率的孔填充、光順等操作對三角面片進行編輯，構建實體外形；在成形階段，實體是模型構建的中心環節。對曲面域基于曲率劃分，最后將生成的曲面轉化成C1連續的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。
將Geomagic12.0里生成的實體模型IGES文件導入有限元分析軟件ABAQUS中去，通過布爾運算建立皮質骨和松質骨模型。建立3個模型：①正常跟骨模型；②以4枚螺釘固定的SanderIII型跟骨骨折模型。兩枚螺釘由跟骨外側向內橫向固定于載距突，兩枚螺釘由跟骨結節向跟骰關節方向縱向固定；③以鎖定鋼板固定的跟骨骨折模型。各模塊在ABAQUS 13.4中用C3D10結構實體單元進行網格劃分。骨組織材料屬性參數參考文獻，其中皮質骨彈性模量為10GPa，泊松比為0.3；松質骨彈性模量為1.45GPa，泊松比為0.2。鋼板與螺釘的材料為鈦合金，其屬性按參考文獻選取，彈性模量為200GPa，泊松比為0.28。
固定跟骨結節后下緣、跟骰關節各方向自由度，模擬單足站立姿態。從距骨垂直向下均勻分布加載700N，模擬正常體重。
對完整跟骨實體模型進行有限元網格劃分，共生成實體單元105030個，節點20021個；交叉螺釘固定跟骨模型，生成實體單元146608個，節點30018個；鋼板固定跟骨模型，生成實體單元186176個，節點39698個。骨及螺釘應力集中區主要分布在跟骰關節、跟骨結節后下緣等處，最大應力為10.19Mpa；中立三角為低應力區。應力分布與跟骨的生理受力基本一致，考慮建模誤差和有限元計算誤差，結果非常理想。
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