全螺纹无头加压螺钉行胫距跟融合术的生物力学研究及临床疗效分析

发布时间：2020-08-09 06:30

【摘要】：胫-距-跟融合术是治疗终末期踝关节和距下关节的有效手段。1906年,Lexer首次报道了该术式,之后得到了不断的丰富发展,并在临床上广泛应用。胫-距-跟融合术涉及距下关节和踝关节两个邻近关节的复杂解剖结构,手术操作难度大、术后并发症多,不融合率高一直是其难以解决的问题。手术切口的选择、软骨面的处理、内固定的选择都是决定胫-距-跟融合术是否成功的关键因素。胫-距-跟融合术固定方式很多,如螺钉、钢板、外固定架和髓内钉等。带外翻角和前倾角的逆行髓内钉是一种专为胫距跟融合术设计的的内固定材料,在近几年当中成为了胫距跟融合术首选的内固定方式。但这种逆行髓内钉植入过程繁琐,学习曲线长,术中神经、血管损伤风险大,术后并发症较多已经成为了亟待解决的难题。全螺纹无头加压螺钉置钉方式较逆行髓内钉简单、灵活,可有效避开足踝部神经、血管走行。这种螺钉具有头小尾大的独特设计,在置钉过程中具有梯级加压作用,理论上对融合关节面的持续加压作用效果更佳,是提高关节融合率的保证,尤其是对于两个邻近关节——胫-距关节(踝关节)和距-跟关节(距下关节)。结合踝-后足骨、关节结构和神经血管走行、固定方式选择和使用的国内外研究进展及手术操作方式,本课题自行设计在胫骨远端关节面在跟骨跖侧投影区的前内侧和后外侧作为入钉点,从足底向胫骨平行植入2枚全螺纹无头加压螺钉固定距下关节和踝关节。这种固定方式对胫骨-距骨-跟骨的位移影响和对于距下关节面、踝关节面应力分布情况及抗屈伸、内外翻、旋转作用并无相关生物力学研究和临床疗效分析。基于有限单元法的生物力学研究已经广泛应用于医学研究,在骨科和运动医学领域的病理生理机制、内固定材料的选择和手术方法的研究提供了有价值的参考依据。通过三维有限元的精准建模功能,对足踝部的复杂解剖结构、不同参数和受力条件下进行动态和静态的模拟仿真研究,并可进行重复性生物力学分析。本课题拟通过有限单元法对比研究2枚全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉固定行胫-距-跟融合术的生物力学特性差异。进一步通过联合小切口下全螺纹无头加压螺钉行胫-距-跟融合术后临床疗效分析,验证该手术方式的有效性、安全性及可靠性。第一部分全螺纹无头加压螺和普通螺钉行胫-距-跟融合术的生物力学对比分析通过有限单元法建立踝-后足骨性结构模型,对比分析从胫骨远端关节面在跟骨跖侧投影区前内侧和后外侧向胫骨侧平行植入2枚全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉行胫-距-跟融合术后加压作用(胫骨-距骨-跟骨位移影响和距下关节面、踝关节面的应力分布情况)及内固定稳定性(抗屈伸、内外翻、旋转生物力学特性)的差异。2.1实验一对比分析全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉行胫-距-跟融合术后胫骨-距骨-跟骨位移影响和距下关节面、踝关节面应力分布的差异2.1.1材料和方法2.1.1.1建立踝-后足三维有限元模型利用成年健康男性的足踝部CT扫描数据,使用三维建模软件,建立踝-后足(胫骨、距骨和跟骨)的三维几何模型,同时进行有限元网格划分。2.1.1.2通过踝-后足(胫骨-距骨-跟骨)的三维有限元模型后,设定植入螺钉条件:2枚螺钉从胫骨远端关节面在跟骨跖侧投影区的前内侧和后外侧向胫骨近端平行植入,依次通过距下关节面和踝关节面;螺钉通过骨面区域:跟骨近端关节面、距骨跖侧关节面、距骨顶关节面、胫骨远端关节面四个区域;设定全螺纹无头加压螺钉分段预紧力,模拟其持续加压性能;对比分析植入全螺纹无头加压螺钉(底径7.5mm、顶径6mm,长100mm)和普通螺钉(直径7.5mm,长100mm)后胫骨-距骨-跟骨位移影响和距下关节面、踝关节面的应力分布差异。2.1.2实验结果在仅仅加载预紧力的条件下,植入全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉后,两者对胫骨-距骨-跟骨位移趋势相同。全螺纹无头加压螺钉模型下最大应力28.066 MPa,普通螺钉模型下应力19.308 MPa;距骨应力,全螺纹无头加压螺钉模型下最大应力45.945 MPa,普通螺钉模型下应力28.607 MPa;跟骨应力,全螺纹无头加压螺钉模型下最大应力25.905 MPa,普通螺钉模型下应力19.246 MPa。相比普通螺钉,全螺纹无头加压螺钉模型跟骨和距骨位移更大,最大应力值更高,应力云图更广。2.2实验二对比分析全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉行胫-距-跟融合术后抗屈伸、内外翻、扭转的生物力学差异2.2.1材料和方法2.2.1.1建立踝-后足(胫骨-距骨-跟骨)三维有限元模型2.2.1.2分别对比分析全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉模型加载扭矩后跖屈/背伸、内翻/外翻、外旋/内旋的生物力学特性差异。2.2.1.2实验结果全螺纹无头加压螺钉无论是在跖屈/背伸、内翻/外翻,还是外旋/内旋的生物力学特性上,均优于普通螺钉。2.3结论本研究通过建立正常的胫骨、距骨、跟骨的模型,并添加相应的螺钉,形成内固定的有限元模型,并通过不同的螺栓预紧力加载方式,模拟全螺纹无头加压螺钉和普通螺钉,比较了其在只有螺栓预紧力的情况下,骨质应力的大小;并模拟分析了在内翻、外翻、背伸、跖屈、外旋、内旋状态下的旋转角度、各骨质应力。结果表明全螺纹无头加压螺钉,相比普通螺钉,各旋转角度均较小,具有更好的抗旋转能力,各骨质部分,表面压力更大,具有更好的加压作用。第二部分联合小切口下全螺纹无头加压螺钉行胫-距-跟融合术的临床疗效分析通过进一步临床疗效分析验证全螺纹无头加压螺钉用于胫距跟融合手术治疗终末期踝关节和距下关节疾病的安全性、有效性和可靠性。3.1材料和方法3.1.1病例收集收集自2012年01月01日——2016年12月31日,对36例(36足)严格保守治疗无效的踝及距下关节终末期患者行胫-距-跟融合术治疗。男14例,女22例;年龄18~76岁,平均53.8岁。左足19例,右足17例。距骨塌陷性坏死21例,创伤性关节炎7例,类风湿性关节炎3例,结核感染(非活动性)2例,距骨缺如1例,Charcot关节病1例,踝及距下关节绒毛结节性滑膜炎1例。3.1.2手术方法联合踝前及外踝跗骨窦小切口下2枚全螺纹无头加压螺钉加压固定行胫-距-跟融合术。3.1.3疗效评价指标记录本组手术时间;术后1天、6周、3个月、6个月、12个月及末次随访时,评估患者一般情况及踝关节正、侧和踝穴位X线片以及CT检查。一般情况评估包括患者疼痛情况及并发症发生情况。术前及术后踝-后足AOFAS评分和VAS评分。3.2实验结果本组手术时间33~82 min,平均49.8 min。手术均顺利完成。术后3周1例(2.9%)发生切口皮肤感染,经清创、换药后痊愈;其余患者切口均Ⅰ期愈合,余相关并发症发生。术后35例患者获随访,随访时间12~29个月,平均18.5个月。影像学检查示本组融合关节均达骨性愈合,融合率为100%;融合时间8-15周,平均10.9周。术后1年,AOFAS评分为(84.714±0.596)分,与术前比较差异有统计学意义(t=12.596,P=0.000);VAS评分为(0.342±0.081)分,与术前比较差异亦有统计学意义(t=30.393,P=0.000)。3.3结论联合小切口下全螺纹无头加压螺钉加压固定行胫-距-跟融合术具有并发症少、术后融合率高等特点,是一种有效的手术方式。
【学位授予单位】：中国人民解放军陆军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3
【图文】：

图 1-1 编辑后的网格模型将 GeomagicStudio 中平滑处理的各骨质部分 stl 文件，导入 hypermesh，进行后续处理。由于需要在模型上添加内固定，需要进行适当的布尔运算，因此，需要将网格模型转化为几何模型。通过网格反求各部分的高次曲面，使之与网格模型完全贴合，然后删除原始网格，得到各个骨质部分的几何模型。截取足够长的胫骨，并将之进行装配。装配好的几何模型见（下图 1-2）。

图 1-1 编辑后的网格模型io 中平滑处理的各骨质部分 stl 文件，导入 h上添加内固定，需要进行适当的布尔运算，因过网格反求各部分的高次曲面，使之与网格模个骨质部分的几何模型。截取足够长的胫骨，下图 1-2）。

17图 1-3 简化的螺钉模型和内固定几何模型划分计算的基础。在最终几何模型的基础上，进行网格用六面体进行网格划分，且六面体网格便于在轴线部分采用 1mm 六面体网格进行划分，其网格及预

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本文编号：2786747