跟骨三维形态学参数与踝后足功能的关系

1、www.CRTER.org许灿，等. 跟骨三维形态学参数与踝后足功能的关系跟骨三维形态学参数与踝后足功能的关系许 灿，李明清，李康华，刘 华(中南大学湘雅医院骨科，湖南省长沙市 410008)引用本文：许灿，李明清，李康华，刘华. 跟骨三维形态学参数与踝后足功能的关系J.中国组织工程研究，2016，20(46): 6899-6906.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.46.008 ORCID: 0000-0003-3878-3963(许灿)文章快速阅读：跟骨三维形态学参数与踝后足功能的关系许灿，男，1985年生，湖南省岳阳市人，汉族，中南大学湘雅医院毕业，博

2、士，主治医师，主要从事足踝畸形与创伤研究。通讯作者：刘华，博士，副主任医师，中南大学湘雅医院骨科，湖南省长沙市 410008中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)46-06899-08稿件接受：2016-09-07明确跟骨形态学参数与踝后足功能的相关性生物力学加载ANSYS有限元分析截骨构建跟骨骨折模型MIMICS构建足踝有限元模型人体标本收集与实验准备跟骨骨折预后因素分析与实验设计CT扫描健康人体足踝部文题释义：跟骨形态：跟骨外形复杂，是足部最大的不规则骨。跟骨三维形态学参数包括跟骨高度、宽度、长度以及Gissane角、Bohler角等。跟骨骨折往往伴随着

3、各形态学参数的复杂改变，各形态学参数改变后对踝-后足的功能会产生不同程度的影响。数值实验：传统生物力学实验通常以人体或动物标本作为实验对象，而数值实验(以三维有限元法为代表)也是骨科生物力学研究的有效手段，可以对许多生物力学指标进行定量分析，在踝足生物力学分析方面有很多成功的先例。三维有限元分析的优势在于可以对载荷，边界条件等参数进行变更，从而模拟各种实验条件。三维有限元法很早就被应用于术前计划和手术疗效的预判，其输出的参数例如肌腱和韧带的应力，接触面积和压力等都极具价值。摘要背景：跟骨整体形态与后距下关节面解剖对位都是跟骨关节内骨折手术治疗的重要预后因素，但当前仍缺少系统的生物力学实验证实跟

4、骨三维形态学参数对于踝-后足功能的重要性。目的：综合利用实体实验与数值分析方法，明确跟骨三维形态学参数与踝后足功能的相关性。方法：首先使用人体踝足尸体标本构建跟骨高度、宽度和长度异常模型，通过生物力学加载支架对各组模型进行加载，分析跟骨高度丢失、宽度增加和长度短缩模型的动力学数据。进而构建正常人体踝后足有限元模型，在其基础上建立跟骨高度丢失、宽度增加和长度短缩数值模型，计算后距下关节面的接触特征。结果与结论：跟骨宽度增加和长度短缩会部分限制踝后足的活动度，跟骨高度丢失则会引起距下关节活动度增加；跟骨宽度增加会增加距下关节的接触面积，高度丢失会减少距下关节的接触面积，并使关节应力中心向关节面前下

5、方移动；跟骨三维形态学参数的改变会导致踝后足生物力学异常，因此跟骨骨折修复治疗中应当细致恢复跟骨的整体形态。关键词：组织构建；骨组织工程；跟骨骨折；形态学；生物力学；有限元分析；踝后足；国家自然科学基金主题词：跟骨；骨折；生物力学；有限元分析；组织工程基金资助：国家自然科学基金青年基金项目(81301543)6875 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Relationship between ankle-hind foot function and calcaneal three-dimensional morphological parameter

6、sXu Can, Li Ming-qing, Li Kang-hua, Liu Hua (Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, China)AbstractBACKGROUND: Both the overall appearance of the calcaneus and anatomical reduction of posterior subtalar joint are important prognostic

7、 factors of calcaneal intra-articular fracture repair. However, there is a lack of biomechanical data supporting the clinical importance of calcaneus height, length and heel width for the ankle-hind foot function. OBJECTIVE: To determine the correlation of the three-dimensional morphological paramet

8、ers with the ankle-hind foot biomechanics as determined by the entity experiment and numerical analysis.METHODS: Models of abnormal calcaneus height, length and width were constructed in the human cadaveric feet and underwent a biomechanical load. The kinematics of the ankle-hind foot were compared

9、between normal and simulated calcaneal fractures with reductions in calcaneal height and length as well as increases in calcaneal width. In finite element analysis, static loading was simulated at an axial load with the subtalar joint in a neutral position, and the effects of the injured calcaneus o

10、n the contact characteristics of the subtalar joints were evaluated in terms of contact areas, peak contact pressures and pressure distributions. RESULTS AND CONCLUSION: The increase in calcaneal width somewhat limited the subtalar motion, and the reduction in length mainly limited the external rota

11、tion and plantar flexion of the subtalar joint. However, the reduction in height mainly resulted in the subtalar rotatory instability. The increase in width broadened the contact area but more notably increased the high pressure contact zone. With height loss, the overall contact area decreased, and

12、 the contact pressure center shifted to the anteroinferior portion of articulation. In conclusion, the normal biomechanics of the ankle-hind foot are severely disrupted by the abnormal calcaneus morphology. Therefore, the three-dimensional calcaneus morphology must be carefully restored in the treat

13、ment of calcaneus fractures.Subject headings: Calcaneus; Fractures, Bone; Biomechanics; Finite Element Analysis; Tissue EngineeringFunding: the National Natural Science Foundation for the Youth of China, No. 81301543Cite this article: Xu C, Li MQ, Li KH, Liu H. Relationship between ankle-hind foot f

14、unction and calcaneal three-dimensional morphological parameters. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(46):6899-6906.Xu Can, M.D., Attending physician, Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, ChinaCorresponding author: Liu Hua, M

15、.D., Associate chief physician, Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, China6903ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction跟骨外形复杂，是足部最大的不规则骨。跟骨与上方的距骨相关节，构成距下关节。而距下关节是踝后足结构的重要组成部分，跟骨关节内骨折常常导致距下关节功能的严重破坏。临床上，跟骨骨折的治疗原则包括

16、：距下关节面的解剖复位以及跟骨整体三维形态的恢复。对于跟骨关节内骨折，术中必须对跟骨的后距下关节面进行解剖复位，这一观点的重要性已经被生物力学实验研究证实。已有研究表明，1.0-2.0 mm的关节面台阶就会导致后距下关节面应力分布的改变1-2，并且直接导致术后距下关节功能的障碍3-4。因此，当跟骨关节内骨折的后距下关节面移位达到2 mm及以上时，实施手术并进行术中复位是有明确共识的。然而对于跟骨三维形态的整体修复，当前仍然缺少有力的生物力学实验证实其对于踝-后足功能的重要性。跟骨高度、宽度和长度的改变是否会严重破坏踝-后足的功能仍需要严谨的生物力学实验对其进行研究。课题利用尸体标本实验与数值模

17、拟分析相结合的方法，对跟骨三维形态学参数的改变进行了定量模拟，并对跟骨高度、宽度和长度的改变所导致的距下关节生物力学功能的影响进行定量分析，以明确跟骨三维形态学参数与踝后足功能的相关性。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 基础性生物力学实验。1.2 时间及地点 于2014年10月至2016年2月在中南大学附属湘雅医院骨科研究所及中南大学粉末冶金国家重点实验室完成。1.3 材料 尸体实体实验过程中共使用了16具踝足尸体标本，所有尸体标本来源于中南大学湘雅医院，患者死因包括车祸外伤以及心血管意外等。实验过程经过了中南大学湘雅医院伦理委员会批准，所用于研究的尸体

18、标本均由患者家属签署了知情同意书。死亡患者的平均年龄为(38.7±1.5)岁，其中20-50岁患者13例，50岁以上患者3例。数值分析实验中使用了1名在中南大学湘雅医院进行健康体检的健康志愿者的右踝关节CT扫描数据，男性，25岁，对实验方案知情同意。1.4 方法 尸体实验部分：在尸体标本上对跟骨进行了模拟截骨，制做了跟骨高度降低、宽度增加以及长度短缩的尸体标本模型。进而对形态参数改变前后的距下关节动力学实验数据进行了比较分析；数值模拟分析部分：首先构建了一个正常的人体踝-后足有限元模型，而后利用尸体标本的实验数据验证数值模型的有效性。接着在正常模型的基础上构建形态参数改变的数值模型，

19、最后在踝-后足中立位下，计算跟骨后距下关节面的应力分布。1.4.1 尸体标本实验 所获得的踝足尸体标本在踝关节以上30 cm处进行胫腓骨截骨，皮肤、皮下组织以及肌肉均做锐性剥离，但保留胫腓骨骨间膜以及踝足部韧带。为保持标本组织的生物力学特性，所有标本在-20 条件下进行储存。实验开始前在室温下解冻6 h，实验过程中，间断对标本表面喷洒生理盐水以保持软组织湿润。实验使用了自行设计的生物力学标本固定架与生物力学加载支架(图1)。首先将标本固定于支架上，使用固定架上的2个不锈钢圆环以及10枚螺钉进行固定，以保证胫腓骨在实验中始终垂直于水平面，同时将前足置于加载支架上的1对滑轮与绳索构成的滑轮组上，使

20、踝后足结构在静息状态下处于中立位。标本固定后，使用加载支架上的滑轮通过牵引砝码起到加载外力的作用(图1)。 图1 使用自行设计的标本固定支架和生物力学加载支架固定并对标本进行生物力学加载Figure 1 Biomechanical load was carried out on the specimen using self-designed specimens fixed and load bracket图注：胫腓骨近端使用钢环与螺钉固定，前足放置于由2个滑轮构成的滑轮组上，并使前足处于水平位置，使踝后足处于中立位。建模时使用摆锯对跟骨后丘部进行截骨以制作跟骨高度降低模型(共5具标本)，对跟

21、骨前突部进行冠状面截骨以制作跟骨长度短缩模型(共5具标本)，对跟骨矢状面进行截骨以制作跟骨宽度增加模型(共5具标本)。截骨块之间使用3.5 mm螺钉进行固定(图2)。截骨时仔细操作，以避免损伤踝后足关节周围韧带。实验中1具标本因为截骨时发生腓骨远端骨折而作废，故最终使用了15具标本进行实验。 图2 使用摆锯对跟骨进行截骨以制作跟骨高度丢失、宽度增加和长度短缩模型Figure 2 The pendulum saw was used on the calcaneus to prepare a model with the height loss, width increase and length

22、 shortening实验中为测量活动度，在距下关节周围安装了4对螺钉作为标志物，其中1对位于胫骨，3对位于跟骨(图3)。加载过程中，用2 kg砝码通过加载支架上的滑轮牵引攻入跟骨各部位的螺钉，加载螺钉的位置尽量置于跟骨在各个平面的旋转中心。砝码加载稳定后使用数码相机拍照记录(图4)。拍照时，相机置于距离标本30 cm处并垂直于观测平面。为保证加载前后的照片有可比性，在加载前，使用相同大小的坐标纸置于观测平面，将相机镜头的焦点调整到跟骨标志物上，并使坐标纸总是占用1 280×720象素的范围。正式拍照前，对标本进行3次循环加载，以消除软组织黏弹性对关节活动度测量造成的误差。拍照完成后

23、，利用软件在获得图像上对相应平面内的标志物进行划线，并测量相应角度，最终获得关节活动度数据。 图3 为测量踝后足关节活动度，在踝后足安装了4对螺钉作为标志物Figure 3 Four pairs of screws were installed as markers on the calcaneus to measure the range of motion图4 使用数码相机记录相应平面的活动度Figure 4 The range of motion as recorded by digital camera全部实验包括以下几组模型：截骨前完整跟骨；跟骨后丘高度降低3，6 mm(H3，H6)

24、；跟骨宽度增加3，6 mm(W3，W6)；跟骨前突短缩3，6 mm(L3，L6)。1.4.2 数值模拟分析 数值模拟分析部分主要进行静力学分析实验，以比较踝后足中立位负重状态下后距下关节面的应力分布。首先使用CT扫描1名健康志愿者的右踝关节。扫描时踝关节固定于中立位。将获取的CT图像导入医学仿真建模软件MIMICS 15.0(Materialise software，Leuven，Belgium)中，在MIMICS中选择相应的灰度阈值进行划分，从而将胫腓骨远端、完整的距骨和跟骨、舟骨的边缘形态提取出来。为各骨建立相应的3D模型后，再将各模型导入MIMICS附带的3-Matic软件中进行有限元网

25、格划分，并将一些不规则的表面结构进行修复和平滑处理。最后将各骨有限元模型逐次导入到ANSYS15.0 (Swanson Inc.，Houston，PA)进行有限元分析。关节面应力分析的关键在于关节面软骨的构建。为模拟胫距关节和距下关节之间的软骨，可使用建模软件在各关节的软骨下骨上垂直“延伸构建”一定厚度的“软骨”(图5)。这一方法可以保证关节面软骨形态的精确性，并直接决定有限元分析计算的最后结果5。已有的解剖学数据显示，距骨的关节面软骨的平均厚度是(1.35±0.22) mm(男性)以及(1.11±0.28) mm(女性)6。本文为简化实验，将距骨的软骨厚度设定为1.2 m

26、m。划分网格时，骨性结构的平均网格体积为1.5 mm3，软骨的平均网格体积为0.2 mm3；有限元模型收敛性分析显示这样的网格密度可以兼顾分析的精度和效率。图5 踝后足模型的跟骨后距下关节软骨放大图Figure 5 Enlarged view of the subtalar joint of the ankle-hind foot model 韧带结构使用仅受拉力的杆单元来模拟。韧带起止点根据解剖学数据进行确认7，不同的韧带根据其长宽比用不同数量的杆单元来模拟8。踝关节周围韧带的生物力学性能可利用公式F=A(eB×-1)和参数A、B来定义，公式中F指韧带应力，指韧带应变9。距跟骨间韧

27、带的材料参数以往文献未见报道，但它与胫距后韧带有相似的截面积和表面形态10，故本文采用了胫距后韧带的材料数据替代距跟骨间韧带。关节面软骨设定为各向同性线弹性材料(E=10 MPa，=0.45)11。由于骨的弹性模量远大于软组织，所以骨性结构可以使用刚性单元进行划分。关节软骨使用可变形的3D四面体单元进行划分。关节面软骨与软骨下骨之间使用绑定接触，软骨接触面之间则设置为滑动接触。全部模型包含78 940的单元以及28 517个节点(图6)。模型构建完成后，使用与尸体标本实验相同的边界条件进行模拟分析，其边界条件的加载点参考实体实验位置进行取点。 图6 踝后足有限元模型Figure 6 The f

28、inite element model of the ankle-hind foot图注：从左至右依次为内侧观、前面观、外侧观。为模拟跟骨高度、宽度和长度的改变，首先根据跟骨的形态特点，利用MIMICS软件对跟骨进行5部分截骨，分别包括跟骨前突部、体部、结节部、载距突部以及后丘部(图7)。由于建模软件模拟截骨比尸体标本实验中的摆锯截骨更加精确可控，故而在模拟截骨时，细化了实验的分组。最终形成以下数值模型：高度实验组H1-H4，H6和H8：正常跟骨高度-1/2/3/4/6/8 mm(图8A)；宽度实验组W1-W4，W6和W8：正常跟骨宽度+1/2/3/4/6/8 mm (图8B)；长度实验组L1

29、、L2、L4、L6：正常前突部长度-1/2/4/6 mm(图8C)。在建模软件中完成模拟后，将所有模型再次回输至有限元分析软件中进行数值分析。分析时在踝关节上方加载700 N垂直作用力，并使踝后足处于中立位，计算出后距下关节的接触面积、应力峰值和应力分布后与正常关节面的数据进行对比，以寻找其中的规律。1.5 主要观察指标 各组模型(包括实体与数值模型)的跟骨活动度，包括内外旋、内外翻以及内收外展；数值实验中观察指标还包括距下关节面的应力分布。1.6 统计学分析 获得的实验数据使用SPSS 17.0进行统计学分析。首先使用Shapiro-Wlik检验检查实验数据是否服从正态分布，进而采用配对t

30、检验比较截骨前后的关节活动度。P < 0.05认为差异有显著性意义。CBA图8 构建跟骨高度、宽度和长度异常模型Figure 8 Construction of the calcaneus models with abnormal height, width and length图注：图A为高度丢失模型，H1，2，3，4，6，8分别表示正常高度丢失1，2，3，4，6，8 mm；B为宽度增加模型，W1，2，3，4，6，8分别表示正常宽度增加1，2，3，4，6，8 mm；C为长度短缩模型，L1，2，4，6分别表示正常长度短缩1，2，4，6 mm。图7 MIMICS软件中对跟骨进行5部分截骨F

31、igure 7 Five osteotomies were simulated on a normal calcaneus using MIMICS software图注：a为前突部，b为体部，c为结节部，d为后丘部，e为载距突部。图9 正常跟骨后距下关节面接触应力分布云图Figure 9 Contact stress distribution of the posterior facet of the subtalar joint for the normal case图10 宽度增加模型的后距下关节面接触应力分布云图Figure 10 Representative pressure dis

32、tribution of the posterior facet of the subtalar joint in injured models with width increases图注：图A-F分别代表W1，2，3，4，6，8，表示正常宽度增加1，2，3，4，6，8 mm。1.001.00.2接触面占后距下关节面的比例0 2 4 6 8 高度丢失宽度增加BAFECACBDEDF图11 高度丢失模型的后距下关节面接触应力分布云图Figure 11 Representative pressure distribution

33、 of the posterior facet of the subtalar joint in injured models with height loss图注：图A-F分别代表H1，2，3，4，6，8，表示正常高度丢失1，2，3，4，6，8 mm。图12 接触面占后距下关节面的比例Figure 12 The occupied ratio of total contact area in the posterior facet of subtalar joint高应力区域(> 6 MPa)占接触面积的比例高度丢失宽度增加(mm)(mm)0 2 4 6 8 图13 高应力区域(>

34、 6 MPa)占接触面积的比例Figure 13 Ratio of high-pressure-contact area (> 6 MPa) to the contact area2 结果 Results 2.1 尸体标本实验结果 表1显示的是高度实验组在截骨前后(完整跟骨、H3和H6)踝后足在20 N作用力下的活动度。平均内翻角度从截骨前的(7.25±0.35)°减少到H3组的(5.85±0.49)°以及H6组的(4.85±0.63)°，其差异有显著性意义。外翻角度则从完整组的(6.05±1.06)°增加到

35、H3组表4 尸体标本实验与踝足有限元模型的活动度比较 (°)Table 4 Comparison of the range of motion of the ankle-hind foot in the finite element model and cadaver specimen实验内翻外翻内旋外旋跖曲背屈实体实验(±s)6.45±1.085.96±0.768.60±2.249.76±2.8941.10±4.0613.0±4.95数值实验 7.505.208.507.8037.7015.40表2 跟骨宽度增加

36、组尸体标本实验的踝后足活动度变化(°)Table 2 The range of motion of the ankle-hind foot in the width increase model表1 跟骨高度丢失组尸体标本实验的踝后足活动度变化(°)Table 1 The range of motion of the ankle-hind foot in the height loss model项目截骨前(±s)W3(±s)W6(±s)内翻6.40±0.405.80±0.403.15±0.15a外翻5.90

37、77;0.405.05±0.254.25±0.15a内旋11.15±0.757.45±1.753.85±0.75a外旋11.95±1.756.90±0.604.95±0.45跖曲39.65±1.3535.50±3.0032.35±1.65背屈18.68±2.0514.45±0.9512.80±1.30a项目截骨前(±s)H3(±s)H6(±s)内翻7.25±0.355.85±0.49a4.85±0

38、.63a外翻6.05±1.068.85±0.91a10.35±1.06a内旋6.60±0.8011.35±1.15a14.40±0.70a外旋6.95±1.7510.00±2.5013.90±2.20a跖曲11.90±1.9014.00±1.5016.35±1.35a背屈40.65±5.0542.50±5.0047.25±6.05a表注：与截骨前比较，aP < 0.05。W3，6分别表示正常宽度增加3，6 mm。表注：与截骨前比较，aP &

39、lt; 0.05。H3，6分别表示正常高度丢失3，6 mm。表3 跟骨长度短缩组尸体标本实验的踝后足活动度变化(°)Table 3 The range of motion of the ankle-hind foot in the length reduction model项目截骨前(±s)L3(±s)L6(±s)内翻5.70±1.207.05±0.357.80±0.50外翻5.95±0.855.90±0.306.20±0.20内旋8.05±0.757.45±0.456.9

40、0±0.10外旋10.40±1.306.45±0.75a4.15±0.95a跖曲43.25±2.6533.85±1.55a30.15±1.35a背屈8.55±0.8514.50±0.8016.85±1.35表注：与截骨前比较，aP < 0.05。L3，6分别表示正常长度短缩3，6 mm。的(10.35±8.85)°和H6组的(10.35±1.06)°，其差异有显著性意义。但是H3组与完整组的外旋、跖曲和背伸角度之间差异无显著性意义。只有当高度丢失达到

41、6 mm时，距下关节的外旋、跖曲和背伸角度才出现显著性增加。表2显示的是宽度实验组在截骨前后(完整跟骨、W3和W6)踝后足在20 N作用力下的活动度。宽度增加 3 mm时，踝后足的活动度与完整组差异无显著性意义，当宽度增加到6 mm时，距下关节的内、外翻以及内旋、背曲角度显著降低。表3显示的是长度实验组在截骨前后(完整跟骨、L3和L6)踝后足在20 N作用力下的活动度。距下关节的外旋角度从截骨前的(10.4±1.3)°降低到L3组的(6.45±0.75)°以及L6组的(4.15±0.95)°，其差异有显著性意义。跖曲角度从截骨前的(4

42、3.25±2.65)°减少到L3组的(33.85±1.55)°以及L6组的(30.15±1.35)°，其差异有显著性意义。但L3和L6组的内外翻、内旋以及背曲角度与完整跟骨组差异无显著性意义。2.2 数值模拟分析结果 有限元模型构建完成后，为保证模型的有效性，必须将相同边界条件下尸体标本模型的实验数据与有限元分析的结果进行对比。只有当有限元分析的结果落入尸体标本实验数据的可信区间范围内时，才可以认为模型是有效的。本文首先计算了15具尸体标本在截骨前的距下关节活动度均数，进而与完整有限元模型的距下关节活动度进行对比。表4显示的有限元分析

43、结果和实体实验的均数对比，所有数值实验的活动度均落入实体模型活动度的可信区间，可见有限元模型是有效的。跟骨完整组的距下关节后关节面应力分析计算结果如图9所示。跟骨宽度增加组和高度丢失组的分析结果如图10，11所示。由于长度短缩组的分析结果与跟骨完整组的分析结果相同，故未列出。跟骨完整条件下，关节的接触面积占到整个后距下关节面积的73%，其中压力大于6 MPa的高应力区域面积占接触面积的6.1%(图12，13)。分析结果显示正常情况下，身体重力主要通过后距下关节面的前下部分向前足传递，部位接近跗骨窦下方的Gissane角，距下关节的接触面主要位于后距下关节面的后外侧部与前部。跟骨宽度增加一定程度

44、上增加了关节面的接触面积，但高应力区域的面积增加更加明显，并且使得接触面的应力中心向内侧移动(图10)。高度丢失后，总的接触面积减小了，同时接触面的应力中心向前移动(图11)，但是峰值应力仍基本保持不变，提示通过后距下关节面传递的重力减少，这必然导致一部分重力将通过其他路径向前足传递，而这一路径很可能是跟骰关节。图12，13显示的是后距下关节面应力分布的定量分析结果。当跟骨宽度从1 mm增加到8 mm后，接触面占关节总面积的比例从0.73增加到0.935；而当跟骨高度丢失从1 mm下降到8 mm后，这一比例从0.73降低到0.238(图12)。当宽度增加或者高度丢失后，高应力区域(> 6

45、 MPa)的面积占总接触面积的比例也随之增高(图13)。例如正常模型的比值为0.061，当宽度增加到4 mm时比值为0.977，增加到8 mm时则比值增加到0.997。3 讨论 Discussion距下关节后关节面台阶是影响跟骨骨折预后的重要因素12，其临床意义已被生物力学实验研究结果所证实。尸体标本实验研究显示，后距下关节面1.0-2.0 mm的台阶就会导致关节面应力的明显改变1-2，这将导致关节面软骨的过早退变，并最终导致关节融合。因此，对跟骨后距下关节面移位达到2 mm以上的跟骨骨折进行手术复位是证据明确的。但是，即便术中对跟骨的后距下关节面进行了解剖复位，跟骨骨折患者仍然常常出现距下关

46、节僵硬13。有研究者认为，距下关节的旋转轴和关节面斜向走行，其功能的正常运作与跟骨结节的位置以及跟骨内外侧壁形态都有关联14-15。对这一特点认识不够可能是距下关节面解剖复位后仍然出现距下关节僵硬的重要原因16。过去许多年来，跟骨骨折临床治疗中所认识到的一个重要概念就是跟骨的整体三维形态必须仔细复位，而不能单纯强调后距下关节面的复位或者单纯追求跟骨某一个形态参数(长度、高度或宽度)的恢复16。实际上，跟骨的整体三维形态与跟骨后距下关节都是影响跟骨骨折预后的重要因素。研究发现，距下关节面台阶、足跟增宽以及跟腓撞击都与跟骨骨折开放复位内固定术后患者的不良预后有关联16。跟骨高度降低会明显影响跟骨骨

47、折患者的临床疗效17。跟骨骨折保守治疗患者中出现严重症状者多数有足跟增宽、外侧柱短缩以及距下关节僵硬18。现有研究已经发现，跟骨宽度增加会引起跟腓撞击、肌腱炎并导致穿鞋困难16。跟骨高度降低将导致距骨倾斜和踝关节撞击症16，而恢复跟骨高度可以改善胫距关节中的距骨位置13。跟骨长度短缩将影响跟骰和跖骰关节的应力传导并使得腓肠肌-跖筋膜复合体力臂减小19。然而，当前仍然缺少有力的生物力学研究数据证实跟骨高度、长度和宽度对踝后足功能的临床意义。就作者所查阅的文献来看，本文可能是第一个系统的综合使用有限元分析和尸体标本实验方法研究跟骨三维形态学参数与踝后足功能相关性的研究。根据本研究结果，跟骨宽度增加

48、(6 mm以上)会一定程度限制距下关节的活动度(内外翻、内旋和背伸)，而跟骨长度短缩(前突部短缩超过3 mm)主要会限制后足的外旋以及跖曲。跟骨的高度丢失(3 mm以上)则主要导致距下关节的不稳定(外翻、内外旋以及跖曲背伸)。理论上分析，这可能是因为高度丢失后距骨和跟骨之间的接触面变小，降低了距下关节之间的吻合度，而距骨和跟骨之间的失吻合最终可能导致距下关节失稳。有限元分析正式开始前，必须对模型进行有效性分析。本研究所建立的踝后足有限元模型在验证实验中所获得的数据与尸体标本实验结果十分接近，证实该模型真实有效。有限元分析数据与实际测量结果之间的差异则可能来自于建模过程中对骨与软骨结构的简化和材

49、料特性的理想化。根据有限元分析的结果，跟骨宽度增加后，后距下关节的接触面积和应力峰值都比正常模型明显增加(图10)。接触面积的增加应当是源于跟骨宽度的增加。跟骨高度丢失后，尽管跟骨后距下关节面的峰值应力基本不变，但接触面的分布出现了明显分离(图11)，后足重力向前足传导的中心区域向前发生了移动。而应力中心区域的异常改变可能将导致骨性关节炎的发生。综合分析尸体标本实验和有限元分析实验的结果可以发现，跟骨三维形态的改变会严重影响踝后足的功能。异常的距下关节对位将导致关节接触面的应力分布出现异常，长期的高应力集中可能会最终引起关节面软骨的退化和后足的僵硬。而后足的僵硬将最终影响步态，使得后足缓冲地面

50、冲击的重要功能受到破坏20。尽管本实验得到了很好的定量分析结果，但仍存在一些不足。首先，距下关节与踝关节以及中足和前足功能密切相关。距下关节、距舟关节和跟骰关节共同形成了功能复合体。跟骨骨折改变了踝关节和距下关节的相对关系，也改变了距下关节和中足、前足的相对关系。但本文并未分析跟骨形态改变对中足、前足的影响。其次，模拟跟骨骨折时使用的是摆锯截骨，这与真实的跟骨骨折也有一定的区别。再次，有限元建模的过程中，采取了一些简化的策略，模型中的韧带、骨性结构和软骨的材料属性都来源于文献，韧带的材料特性被定义为非线性超弹性而其黏弹性特征未予考虑。综上所述，跟骨三维形态学参数的改变会严重破坏踝-后足的生物力

51、学功能。手术恢复跟骨的整体形态能够改善距下关节的相对位置，减少距下关节创伤性关节炎和僵硬发生的可能性。所以，跟骨骨折手术治疗过程中跟骨的整体三维形态应当得到细致的恢复。致谢：感谢通讯作者刘华教授对课题撰写的关心和指导；感谢李明清医师在资料收集和论文写作中给予的帮助；感谢李康华教授为文章审稿与修改提供的宝贵建议。作者贡献：许灿进行构思设计、资料收集及文章撰写，刘华给予指导与建议。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：没有与相关伦理道德冲突的内容。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨

52、。作者声明：通讯作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 Mulcahy DM, Mccormack DM, Stephens MM. Intra-articular calcaneal fractures: effect of open reduction and internal fixation on the contact characteristics of the subtala

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