J Orthop Surg Res：踝关节不稳定的生物力学见解:后踝骨折的有限元分析

踝关节骨折是骨科和外伤中最常见的肌肉骨骼损伤之一。目前的流行病学数据估计，这些伤害占所有骨科病例的4%-10%。深入研究，后踝骨折尤其值得注意，据报道其发生率在所有踝关节骨折中占比从10%到惊人的44%。当我们考虑到与这些损伤相关的临床后果时，这些统计数据变得特别引人注目。后踝骨折的后果往往超出单纯的骨骼破坏。由于创伤性关节炎等并发症的频繁出现，其临床严重性也随之增加。这种不良后遗症主要是由于关节面接触中断和间歇性，随着时间的推移导致退行性变化。这些临床观察不仅强调了急性干预，这些骨折需要，也强调了阐明潜在病理机制和驱动其发生的生物力学细微差别的必要性。对这一领域的深刻理解有望为创新的、针对患者的治疗方式铺平道路。

骨折碎片的作用和现有研究的局限性在骨科研究的微妙景观中，骨折碎片的影响一直是一个焦点，因为它们对关节生物力学有明显的影响。细致的临床观察和先进的模型模拟都强调了这些碎片的重要性，特别是在关节接触应力升高的情况下。这种压力加剧尤其令人担忧，因为它在催化创伤后关节炎的发生和发展中起着关键作用，创伤后关节炎是一种并发症，可显著损害关节功能和患者的生活质量。受到这些发现的启发，De Vries等人和Bekerom等学者大力倡导内固定的优点，特别是当后脚踝骨折碎片占胫骨pilon的很大一部分(超过25%)时。然而，尽管他们的开创性工作无可否认地促进了我们的理解，但它并非没有局限性。在他们的调查中有一个明显的疏忽，那就是忽略了破裂处的角度变化。这些差异可能对治疗结果和预后产生深远的影响。填补这一空白是正在进行的研究的主要目标。

有限元分析(FEA)在应力分析中的出现为了弥补我们目前的理解差距，研究人员试图利用有限元分析(FEA)，一种建立在力学分析原理基础上的最先进的数值计算技术，来检查踝关节的应力分布。通过利用高分辨率计算机断层扫描(CT)数据集，研究人员可以精心制作三维解剖表示，为后踝骨折的生物力学基础提供无与伦比的见解。这一领域的学术贡献是丰富而多样的。例如，Guan等人的工作。其突出之处在于深入研究了骨折线对关键生物力学参数的影响，如应力分布、接触拓扑和关节表面的相对位移，这些都是关节稳定性不可或缺的属性。进一步，Evers等人和Qiang等人深入研究了构成少于关节表面积四分之一的后踝碎片(PMF)的生物力学影响。他们的研究细致地剖析了压力梯度和稳定性的细微差别，同时也探讨了跟骨骨折的术后生物力学，特别是关于支撑骨螺钉的策略性放置。为了补充这些见解，Alonso-Rasgado等人的开创性工作采用了先进的3d计算模型来描述碎片尺寸、位移以及由此产生的踝关节稳定性和接触动力学的生物力学效应之间的多方面相互作用

在骨科生物力学领域，有限元分析(FEA)一直是一种重要的工具，揭示了传统方法可能忽略的复杂的生物力学见解。然而，一个显著的观察结果是在大多数有限元分析研究中明显缺乏对矢状角变化的关注。这种疏忽不仅仅是学术上的细微差别;它们具有明显的临床意义，可以显著影响治疗决策和预后。在这种背景下，我们研究的主要目标是弥合这一知识鸿沟。我们努力制作一个细致，高保真的踝关节模型，设计精确，以封装和阐明踝关节接触面应力分布的微小细节。这个模型不仅仅是一个静态的表示;它旨在成为一个动态工具，能够模拟和分析后外踝骨折情况下不同矢状面骨折角度的生物力学后果。

我们的假设是，矢状角的变化，即使是那些看起来很细微的变化，也会对接触面压力产生深远的影响。我们认为，理解这些变异及其随后的生物力学影响是至关重要的。它不仅加深了我们的学术理解，而且还为骨科医生提供了宝贵的见解，可以塑造后踝骨折的诊断，管理和治疗干预的轨迹。

方法：采用有限元方法研究踝关节自然状态和不同矢状面骨折线角度下踝关节接触面应力分布。研究旨在确定应力集中区，了解矢状角对应力分布的影响。

图1:志愿者A右脚踝CT重建三维表面模型

图2 裂缝模型的底图，突出显示了穿过OC的裂缝面

图3 骨折模型侧视图，显示矢状角(θ)从12°到60°不等

图4 完整骨与五个不同骨折线位置的比较。左上角的图像显示了完整的骨骼，而其余的图像显示了从12°到60°不等的矢状角

图5:不同模型接触面应力分布

图6 接触面压力峰值面积

接触压力在不同的破裂角处达到峰值

图7 接触压力在不同的破裂角处达到峰值

结果：踝关节接触面有三个应力集中区:胫骨前外侧、胫骨前内侧和骨折线。当断裂发生时，在断裂线上观察到最显著的应力。当矢状角减小时，骨折线上的应力会显著增加，这可能会危及踝关节的稳定性。较大的矢状角在接触面的三个顶点上只表现出较小的应力变化。推断矢状角度低于60°可能对踝关节稳定性构成风险。

结论:本研究强调了骨折对踝关节应力分布的潜在影响，强调了接触面在确保稳定性方面的作用。三个应力集中区域的识别以及矢状角对应力分布的影响为治疗决策提供了有价值的参考。此外，该研究强调了评估矢状面骨折角度的重要性，表明角度低于60°可能会损害踝关节的稳定性。

原始出处：

Ying J,  Liu J,  Wang H,Biomechanical insights into ankle instability: a finite element analysis of posterior malleolus fractures.J Orthop Surg Res 2023 Dec 12;18(1)