跟骨骨折是最常见的足部损伤，常见于男性患者，尤其是青壮年患者，男性损伤的概率约为女性损伤概率的2~4倍。跟骨骨折又被称为情人骨折（Lover’s fracture），也称“唐璜骨折”（Don Juan fracture），通常发生在婚外情中的一方被另一方配偶追打时慌不择路从窗台跳下时发生。坠落伤是跟骨骨折最常见的发病机制，除了建筑工人的高处坠落外，伞兵从空中着陆足跟遭受撞击或海战中水雷爆炸，舰艇人员足跟受到甲板反冲击力，都可发生跟骨骨折。

跟骨具有复杂的解剖形态和极其重要的生理功能，跟骨骨折的治疗一直受到临床医师的重视。跟骨骨折治疗的关键在于恢复跟骨的正常解剖形态，减轻距跟关节的损伤程度，从而减少因骨折畸形愈合导致的功能障碍。内、外固定技术和微创治疗技术的发展使跟骨骨折的治疗有了更多选择，临床疗效不断提高。但目前对骨折的治疗时机、手术分型、手术指征、以及治疗方法选择等具体问题仍有一定争议。

髓内钉内固定是治疗长骨干骨折较常用的手术方式，具有创伤小、固定牢靠，并发症少等优点。由于跟骨为不规则的长方形结构，传统的髓内固定难以应用于跟骨骨折。由于髓内固定的独特优势，近来有学者设计出专用于跟骨骨折的髓内钉（Calcanail）并进行临床试用。该髓内钉由主钉和两端锁钉组成，主钉用于骨内支撑，为中空设计，内部可填充人工骨。两端锁钉可用于横向固定，并与主钉联合支撑跟骨体，图1。临床应用证明：Calcanail治疗跟骨骨折可取得满意的临床效果。

图1 跟骨髓内钉（Calcanail）的结构设计及骨折固定效果

尽管髓内固定可以提供有效的固定支撑，但相对于跟骨骨折的复杂程度，Calcanail仅能提供两个方向上的固定作用。因此，有学者对其应用适应症、手术有效性、内固定取出以及二次翻修等提出质疑。生物力学研究发现，对于Sanders IIB型跟骨骨折，Calcanail的力学强度超过锁定钢板。该研究为Calcanail的临床应用提供了有力的依据，但由于初始设计的局限性，该钉能否用于跟骨粉碎性骨折，尚需进一步研究证明。

辅助螺钉固定技术是骨折治疗最常用的方法之一，如胫骨阻挡钉技术等。为避免Calcanail治疗跟骨骨折难以固定跟骨前部骨折块的不足，并提高固定的整体稳定性。本研究拟在Calcanail固定跟骨骨折的同时，施加辅助螺钉固定（增强髓内固定）。辅助螺钉从跟骨结节后上方进入，指向跟骰关节方向。由于Calcanail主钉有两个窗口，钉体为中空设计，辅助螺钉可以从主钉窗口中穿过，与主钉形成一个“×”的固定结构，可有效增加Calcanail的固定强度。本研究拟采有限元分析的方法对Calcanail联合辅助螺钉固定的生物力学稳定性进行分析，为跟骨骨折临床治疗的选择提供有益的参考。

方法

本节研究中建立的跟骨骨折模型为Sanders III型，模型根据一例30岁健康男性志愿者右侧跟骨形态建立。跟骨模型包含皮质骨和松质骨两种成分，其中皮质骨的厚度设定为2.1 mm。模拟临床操作，通过布尔运算，将髓内钉或钢板置入跟骨内。髓内钉固定时主钉从跟骨结节后下方置入，直至距下关节面下方，主钉两端各固定一枚锁定螺钉，图2（a）。增强髓内固定时在髓内钉置入后，施加一枚松质骨螺钉穿过髓内钉主钉固定，图2（b、c）。钢板固定遵循传统的“三点固定”原则，即跟骨结节、聚下关节和跟骰关节三点固定，同时，以一枚长松质骨螺钉固定至载距突以支撑后关节面，图2（d）。

图2 跟骨骨折内固定模型（a. 髓内固定；b、c. 增强髓内固定；d.钢板固定）

对跟骨皮质骨和松质骨及内固定材料的属性进行设定，本研究假定跟骨和内固定材料为线性材料，且各向同性。材料属性来源于参考文献。对跟骨骨折模型及内固定材料用C3D4实体单元进行网格划分。跟骨模型生成实体单元105,030个，Calcanial装置、辅助螺钉及钢板分别生成17945个、1170个和46775 个实体单元。

根据跟骨的解剖学特征确定约束面和受力面。将跟骨结节后下缘固定于一圆形底座，限制底盘六个方向自由度。沿距下关节面向下施加700 N的外力，模拟70 kg体重成人单足站立时跟骨所受的生理荷载。对不同材料固定后的跟骨骨折模型进行施加相同的边界条件和加载条件，分析不同固定模型的整体稳定性、固定材料和骨骼的应力分布以及骨折端的位移情况。

结果

整体稳定性依据跟骨在700 N载荷下发生的垂直位移和骨折端移位两项指标进行评价。将载荷与垂直位移相除，即为模型的整体刚度。骨折端位移依据跟骨骨折端相邻的16对参考点在载荷施加前后的距离变化计算。根据计算结果，增强髓内固定可以提供最佳的稳定效果。与钢板固定相比，髓内固定具有更佳的力学稳定性，这与既往生物力学分析是一致的。

不同材料固定时，跟骨骨折端的位移并不一致。髓内固定时，骨折端的横向位移，特别是跟骨后关节面的横向位移更明显。钢板固定时，骨折端的位移主要集中于不同骨折块间，尤其是中间骨折块与跟骨前骨块之间，见图3。

图3不同固定时跟骨骨折端位移云图（a.髓内固定；b.钢板固定）

如图4所示，髓内钉固定跟骨骨折时，高应力区集中于主钉与骨折端接触的位置。钢板固定时，最大应力集中于钢板的前、后角以及钢板与螺钉接触的位置。不同固定条件下固定材料所承受的最大应力存在差别，髓内固定、增强髓内固定以及钢板固定时的最大应力分别为98.12 MPa、84.78 MPa和102.68 MPa。不同材料固定时跟骨骨骼所承受的最大应力也存在不同，总体来讲，增强髓内固定时跟骨的最大应力最低。钢板固定可导致皮质骨的应力升高45%，而松质骨的应力稍有降低。

图4跟骨骨折内固定的应力云图（a. 髓内固定；b、增强髓内固定；c, d.钢板固定）

讨论

髓内固定是一种相对微创的跟骨骨折治疗方案，主要适用于关节面垂直塌陷的跟骨关节内骨折。由于髓内钉经跟骨结节后下方置入，无需切开软组织条件欠佳的跟骨外侧皮肤，因此切口感染等传统手术最常见的并发症可以得到避免。从临床研究看，Goldzak等在2010年采用髓内固定治疗10例跟骨骨折，包括4例Sander II型，3例III型，3例垂直和水平移位的骨折。所有骨折均得到有效复位，Boehler角由术前的4°恢复至术后的22°，无一例患者发生切口感染，术后患足AOFAS评分为84分。在随后的一组大样本病例报道中，患者数量增至63例，骨折类型涵盖Sanders I-III型。所有患者均采用Calcanial固定，术后整体恢复满意，平均AOFAS评分为75.6分。术后有4例患者进行了翻修手术，6例患者进行了内固定取出术。

Calcanail是一种设计精巧的髓内固定系统，通过主钉和锁钉分别提供垂直和水平方向的稳定。另外，通过改变髓内钉主钉长度，可以同时用于跟骨骨折内固定或者距下关节融合术。对于跟骨骨折术后并发距下关节创伤性关节炎需要关节融合者，术中仅需要将短髓内钉更换为长钉，即可达到手术目的。尽管设计独特，但整体呈“工”形框架的Calcanail仅能提供在一个平面上的固定效果，这对于严重粉碎的跟骨骨折难以满足固定所需要的力学强度。为此，本研究借助阻挡钉技术对Calcanail进行增强固定。从有限元分析看，增强固定法可明显提高Calcanail髓内固定的生物力学稳定性，值得临床推广。

从生物力学观点来看，髓内固定与钢板固定分别代表了轴向固定和侧方固定两种不同的固定方式。跟骨在生理情况下，主要承受由胫骨和距骨传递来的垂直应力，因此髓内固定具有理论上的优势。从有限元分析的结果看，与钢板固定相比，髓内固定时内置入物承受的应力明显低于前者，并具有更好的整体稳定性。与单纯髓内固定相比，增强髓内固定时Calcanail所承受的最大应力明显降低，其原因在于纵向贯穿跟骨长轴的辅助螺钉承载了部分载荷，发挥了类似杠杆的作用，在骨折端形成应力遮挡效应。从应力云图看，增强髓内固定时，跟骨皮质骨承受的应力更小，这对保护骨组织和固定位置具有积极作用，应作为跟骨骨折的优先治疗方案。从计算结果看，无论是髓内固定还是钢板固定治疗跟骨骨折，在700 N荷载下的最大应力均小于其剪切强度，这意味着两种固定方式均具有较好的初始稳定性，可以早期功能锻炼。

骨折端的位移也是平均不同固定方式稳定性的重要指标之一。从位移云图看，髓内钉固定时，骨折端的最大位移集中于距下关节；而钢板固定时，位移主要集中于跟骨前、中骨折块，即“V”形截骨端顶点。这表明髓内固定可提供有效的垂直支撑，但横向固定效果不佳，其原因可能在于两枚锁定钉难以提供与钢板固定时多枚螺钉类似的固定效果。从临床角度看，在使用髓内固定治疗具有多条纵向骨折线的跟骨骨折（Sander III-IV）时，可以施加与主钉方向垂直的辅助螺钉固定。同时，骨折端位移同时也有助于判断骨折愈合情况。从本实验结果看，无论是髓内钉固定，还是钢板固定，骨折端位移均在合理范围内。因此，骨折愈合在是可能实现的。

结论

髓内固定可以提供比钢板固定更可靠的稳定效果；与单一髓内固定相比，增强髓内固定时稳定性更好，固定材料和骨组织承受的应力更低，因此可作为跟骨关节内骨折的首要治疗选择。对于存在多条纵向骨折线的跟骨骨折，可以在髓内钉固定的基础上，辅以与主钉方向垂直的螺钉固定。不管采用髓内还是髓外固定，术后均可早期开始功能锻炼。

本文节录自《安全着陆：生物力学研究》，有删减。全文请见：

牛文鑫，姚杰，傅维杰，倪明（著）. 安全着陆：生物力学研究. 上海：同济大学出版社，2017年3月第1版。

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