背景：跟骨骨折常见于20-40岁中青年人足踝部损伤,约占所有跗骨骨折70%,其中约75%为跟骨关节内骨折,多由于足跟部遭受纵向垂直暴力所致。由于跟骨及周围解剖结构复杂,周围局部软组织覆盖质量差,故跟骨关节内骨折治疗困难,且并发症多。跟骨关节内骨折的合适分型对正确诊断和科学治疗有着重要的指导意义,目前临床应用最为广泛的分型方法是Sanders分型。祖国医学骨折采用损伤“三期辨证”原则中药治疗,旨在调和疏通气血、生新续损、强筋壮骨。对于涉及关节面且移位明显的跟骨骨折,采取切开复位内固定已成为目前最常用治疗方法。目前,切开复位钢板固定的材料常分为锁定钢板和非锁定钢板两种类型,但对于哪一种内固定提供最佳的力学稳定性仍有较大争议。切开复位内固定术采用跟骨外侧手术入路,但跟骨内侧有肌腱、神经走行,如术中稍有操作不当可引起这些软组织医源性损伤。为降低术中置钉与螺钉过长对跟骨内侧软组织损伤的风险,能否使用锁定钢板单皮质进行固定?为降低切开复位内固定术后软组织并发症风险,锁定钢板外置是否能替代锁定钢板内置固定跟骨骨折?祖国医学较早提出的骨折“筋骨并重”整骨原则与现代医学微创理念使得骨伤科治疗提高到一个新水平。微创经皮骨水泥成形固定、微创经皮螺钉固定、微型锁定钢板固定是否也有着与切开复位常规锁定钢板固定有着等同的力学稳定性。经过近四十年的发展,有限元分析已成为目前国际肌骨系统计算力学分析的主要手段。本研究就针对上述临床问题,通过有限元对跟骨关节内骨折不同固定方式的力学特性进行相关分析,并探讨其临床生物力学意义。此外,由于载距突存在着前倾角和外倾角,自跟骨外侧向内置入载距突螺钉可能出现螺钉位置不满意,甚至损伤内侧结构可能。为此,一种辅助医生准确置入载距突钉的导向器有待开发。第一部分成人正常跟骨三维有限元模型的构建及有效性验证目的：构建成人正常跟骨有限元模型,分析成人正常跟骨应力分布,并进行有效性验证,为下一步研究提供基础。方法：利用足踝部正常跟骨的二维连续断层CT数据,通过Mimics14.0软件、Geomagic Studio2012软件、Solidworks2013软件以及ANSYS 14.0软件构建跟骨的三维有限元模型,并分析正常跟骨的应力分布情况,并回顾以往文献报道结果和临床观察现象对模型进行有效性验证。结果：跟骨结节周围附近、跟骨后距关节面处、载距突、前距关节面内侧为主要应力集中区域。后距关节面至跟骨结节前方形成次级应力带,该应力带经载距突侧方下行至于跟骨底部后1/3。跟骨外侧应力值分布明显低于内侧应力值,外侧中心区域(跟骨中央三角)广泛性应力值偏低。Gissane’s角处达到高应力值,对载荷的支撑与传导起到了枢纽作用。跟骨底部后1/3为应力相对稍高分布,应力集中区主要沿内侧分布。结论：成功建立跟骨三维有限元模型,并分析跟骨在中立位垂直载荷下跟骨应力分布情况。通过与先前实验和临床数据相对照,本模型不仅具有正常跟骨解剖形态,同时还能较为准确得到正常成人跟骨中立位应力分布情况,在某种意义上已经非常接近人体跟骨的实际力学特性,为下一步跟骨骨折不同固定方式生物力学特性的分析和研究提供了科学依据。第二部分锁定与非锁定钢板固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析目的：通过三维有限元法对锁定钢板与非锁定钢板固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的生物力学特性进行比较。方法：通过Solidworks2013软件构建Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折和钢板螺钉实体模型,建立钢板螺钉固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折有限元模型,在ANSYS设置参数模拟锁定与非锁定固定,并对固定模型施加轴向负荷,评估骨折线之间位移、跟骨骨折块应力、钢板螺钉应力与位移。结果：两种骨折固定模型距下关节面外侧或中间骨折块位移峰值位于骨折线处,位移分布向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块(载距突骨折块)达到峰值。两种骨折模型锁定与非锁定固定骨折线处最大位移均位于距下关节面,位移峰值未见明显改变(Sanders Ⅱ:锁定0.103mm,非锁定0.111mm. Sanders Ⅲ:锁定0.151mm,非锁定0.163mm),且均小于lmm(跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1mm的标准)。两种骨折模型锁定与非锁定固定跟骨应力峰值均位于后侧骨折块跟骨结节周围附近,应力峰值未见明显改变(Sanders Ⅱ:锁定61.244Mpa,非锁定61.43Mpa. SandersⅢ:锁定87.858Mpa,非锁定83.017Mpa),均小于骨屈服强度95Mpa。距下关节面骨折块应力分布从外侧向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块载距突螺钉孔处达到峰值。两种骨折模型内固定系统应力峰值均位于钢板中后部,位移峰值均位于载距突螺钉远端,应力峰值锁定与非锁定固定未见明显改变(SandersⅡ:锁定157.57Mpa,非锁定155.37Mpa. SandersⅢ:锁定190.37Mpa,非锁定170.75Mpa),且应力峰值均小于内固定屈服强度225Mpa。结论：本研究通过有限元分析表明,固定SandersⅡ、Ⅲ跟骨骨折并未发现锁定钢板相对于非锁定钢板有着明显优势,两者有着等同的力学特性。第三部分锁定钢板双皮质与单皮质固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析目的：通过三维有限元法对锁定钢板双皮质与锁定钢板单皮质固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的生物力学特性进行比较,并探讨其临床意义方法：通过Solidworks2013软件建立锁定钢板双皮质与单皮质固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折实体模型,建立钢板螺钉固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折有限元模型,对固定模型施加轴向负荷,评估骨折线之间位移、跟骨骨折块应力、钢板螺钉应力与位移。结果：两种骨折模型距下关节外侧或中间骨折块位移峰值位于骨折线上,位移分布向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块(载距突骨折块)达到峰值,两种骨折模型锁定钢板双皮质与单皮质固定骨折线处最大位移均位于距下关节面,位移峰值未见明显改变(SandersⅡ:双皮质0.103mm,单皮质0.108mm. SandersⅢ:双皮质0.151mm,单皮质0.178mm),且均小于lmm(跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1mm的标准)。两种骨折模型双皮质固定时跟骨应力峰值位于跟骨后侧骨折块(跟骨结节周围处),而单皮质固定跟骨应力峰值位于前侧骨折块(跟骨前部),两种骨折模型双皮质与单皮质固定跟骨应力峰值未见明显改变(SandersⅡ:双皮质61.244Mpa,单皮质61.88Mpa. SandersⅢ:双皮质87.858 Mpa,单皮质85.732Mpa),且均小于骨屈服强度95Mpa,距下关节面骨折块等效应力分布从外侧向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块处达到峰值。两种骨折模型内固定系统应力峰值均位于钢板中后部,位移峰值均位于载距突螺钉远端。Sanders Ⅱ型骨折模型单双皮质固定时内固定系统应力峰值未见明显改变(双皮质：157.57Mpa,单皮质191.15Mpa),且应力峰值均小于内固定屈服强度225Mpa。相对于锁定钢板双皮质固定SandersⅢ型骨折而言,单皮质固定内固定系统应力峰值增加36%(双皮质：190.37 Mpa,单皮质259.82Mpa),且应力峰值超过内固定屈服强度225Mpa。结论：锁定钢板单皮质与双皮质固定Sanders Ⅱ型骨折有着等同的力学特性,单皮质有着临床应用价值,而双皮质固定SandersⅢ型骨折力学特性明显优于单皮质固定。第四部分锁定钢板内置与外置固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析目的：通过三维有限元法对锁定钢板内置与外置固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折的生物力学特性进行比较,并探讨其临床意义。方法：通过Solidworks2013软件建立锁定钢板内置与外置固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折实体模型,建立钢板螺钉固定Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折有限元模型,对固定模型施加轴向负荷,评估骨折线之间位移、跟骨骨折块应力、钢板螺钉应力与位移。结果：两种骨折模型距下关节外侧或中间骨折块位移峰值位于骨折线上,位移分布向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块(载距突骨折块)达到最大值,两种模型内外置固定骨折线处最大位移均位于距下关节面,位移峰值未见明显改变(SandersⅡ:内置0.103mm,外置0.126mm. SandersⅢ:内置0.151mm,外置0.178mm),且均小于lmm(跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1mm的标准)。Sanders Ⅱ骨折内外置固定跟骨应力峰值均位于后侧骨折块(跟骨结节周围附近),SandersⅢ型骨折内外置固定应力峰值分别位于后侧骨折块跟骨结节周围和内侧骨折块骨折线附近,Sanders Ⅱ骨折模型内外置固定时跟骨应力峰值未见明显改变(Sanders Ⅱ:内置61.244 Mpa,外置70.84Mpa),且均小于骨屈服强度95Mpa。相对于锁定钢板内置固定SandersⅢ型骨折模型而言,外置固定跟骨应力峰值增加22%(SandersⅢ:内置87.858 Mpa,外置107.51Mpa),且应力峰值超过骨屈服强度95Mpa。距下关节面骨折块等效应力分布从外侧向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块达到峰值(内置固定位于载距突螺钉孔处,外置固定位于骨折线)。两种骨折模型内固定系统应力峰值位于钢板中后部,位移峰值均位于载距突螺钉远端,应力峰值内置与外置固定未见明显改变(Sanders Ⅱ:内置157.57 Mpa,外置107.81Mpa. SandersⅢ:内置190.37 Mpa,外置172.84Mpa),且应力峰值均小于内固定屈服强度225Mpa。结论：锁定钢板外置有着潜在的临床应用价值,但适用于跟骨简单骨折如Sanders Ⅱ型跟骨骨折。第五部分微创固定技术治疗Sanders Ⅱ型跟骨骨折的有限元分析目的：通过三维有限元法对常规锁定钢板固定、经皮骨水泥成形固定、经皮螺钉固定、微型锁定钢板固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折的生物力学特性进行比较,探讨其临床意义,并论述祖国医学“筋骨并重”理念与现代医学微创理念相互关系。方法：建立常规锁定钢板固定、经皮骨水泥成形固定、经皮螺钉固定、微型锁定钢板固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折有限元模型,对固定模型施加轴向负荷,评估骨折线之间位移、跟骨骨折块应力、钢板螺钉应力与位移。结果：两种骨折模型距下关节外侧骨折块位移峰值均位于骨折线处,位移分布向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块(载距突骨折块)达到最大值,四种固定模型骨折线处位移峰值均位于距下关节面,位移峰值未见明显改变(常规锁定钢板0.103mm、骨水泥成形0.14mm、经皮螺钉0.108mm、微型锁定钢板0.061mm),且均小于lmm(跟骨关节内骨折手术指征的骨折线分离或移位≥1 mm的标准)。跟骨应力峰值常规锁定钢板固定和微型锁定钢板固定位于跟骨结节周围,而骨水泥成形固定和经皮螺钉固定位于跟骨跟骰关节周围处,相对于常规锁定钢板固定而言,经皮螺钉固定和微型锁定钢板跟骨应力峰值(锁定钢板61.244Mpa、经皮螺钉87.404Mpa、微型锁定钢板79.857Mpa)未见明显改变,且均小于骨屈服强度95Mpa,但骨水泥固定跟骨应力峰值达113Mpa,增加1.5倍,超过骨屈服强度95Mpa,距下关节面骨折块等效应力分布从外侧向内侧呈阶梯状逐渐增大,内侧骨折块达到峰值。内植物应力峰值常规锁定钢板固定位于钢板中间部,骨水泥成形固定位于骨水泥球中间,经皮螺钉固定位于螺钉尖端靠近距后关节面处,微型锁定钢板固定位于载距突螺钉中间部,内植物应力峰值骨水泥固定应力峰值最小,常规锁定钢板固定最大,达156Mpa,小于内固定屈服强度225Mpa。内植物位移峰值常规锁定钢板固定、经皮螺钉固定和微型锁定钢板固定均位于载距突螺钉尖端,而骨水泥固定位于骨水泥球顶端,内植物位移峰值骨水泥固定最大,达1mm,常规锁定钢板固定最小。结论：“筋骨并重”理念与微创理念高度统一。微创骨水泥成形固定跟骨关节内骨折出现跟骨应力明显集中,距下关节面塌陷畸形愈合风险明显增加。微型锁定钢板和经皮螺钉固定有着与常规锁定钢板固定有着等同的力学特性,前两者在临床有着潜在的应用价值,微型跟骨锁定钢板尚有待进一步研发。第六部分自行研制的载距突螺钉导向器辅助置钉准确性评价目的：设计一种载距突螺钉导向器并制成实物,从标本实验研究和临床试验评估其辅助载距突螺钉置钉准确性,并讨论祖国医学“三期辨证”施治对骨折愈合的意义。方法：设计一种辅助载距突螺钉置钉的导向器,并制成实物。1例足部标本在导向器辅助下置入3支1.5mm克氏针到载距突。2014年6月至2015年10月收治的50例跟骨骨折患者资料,依据跟骨关节内骨折固定有无使用的载距突螺钉导向器随机分为两组：A组,徒手组(21例25足)；B组,导向器组(21例25足),术后两组均按照祖国医学损伤“三期辨证”原则中药口服。纳入研究的两组患者各项基本资料比较差异无明显统计学意义(p>0.05),具有可比较性。比较两组患者的手术时间、术中透视次数、术后载距突螺钉置入精确率、术前术后跟骨Bohler’s角和Gissane’s角、术后骨折愈合时间、AOFAS足部评分。结果：成功制作出载距突螺钉向器实体,导向器辅助下3支1.5mm克氏针置入1具足部标本,CT扫描未见克氏针进入关节内,2支克氏针置入到载距突内,1支克氏针置入到载距突偏下方。所有患者术后均获得随访,两组患者随访时间未见明显统计学意义(A组7.9±1.9月,B组7.6±1.5月,t=0.496,p>0.05)。A组有1例患者皮缘切口红肿,经酒精湿敷换药后未发生坏死与感染。B组未见皮肤切缘坏死与感染,均一期愈合。两组患者骨折未见延迟愈合、不愈合,两组骨折愈合时间未见明显统计学意义(A组2.4±0.3月,B组2.3±0.2月,t=1.566,p>0.05),手术时间B组小于A组并具有统计学差异(手术时间：A组94.6±6.1分,B组85.6±12.6分,t=3.222,p<0.05.)。术中透视次数B组明显低于A组(Z=2.269,p=0.023)。术后Gissane’s角两组之间差异无统计学意义(A组113.4±8.7°,B组117.3±11.2°,t=1.375,p>0.05),术后Bohler’s角B组大于A组并具有统计学差异(A组21.5±5.2°,B组28.1±8.2°,t=3.406,p<0.05),术后Bohler’s角和Gissane’s角大于术前,并具有明显统计学差异(A组Bohler’s角：术前-2.3±14.2°,术后21.5±5.2。,t=8.721,p<0.05.A组Gissane’s角：术前97.4±7.9°,术后113.4±8.7。,t=7.336,p<0.05.B组Bohler’s角：术前3.9±16.5°,术后28.1±8.2。,t=7.376,p<0.05.B组Gissane’s角：术前98.7±12.9°,术后117.3±11.2。,t=6.762,p<0.05)。A组患者14枚置入到载距突内,6枚置入载距突下方区域,2枚置入载距突后下方区域,3枚置入到载距突前下方区域,精准率64%,B组患者21枚置入到载距突,3枚置入载距突下方,1枚置入载距突后下方,精准率84%,B组置钉准确率高于A组,差异具有统计学意义(χ2=4.667,p<0.05),AOFAS足部评分系统评价：A组(2优,12良,10可,1差),B组(11优,11良,2可,1差),AOFAS足部评分B组优于A组,且具有统计学差异(Z=3.318,p<0.05)。结论：祖国医学“三期辨证”施治口服中药促进骨折愈合,缩短骨折愈合时间。载距突螺钉导向器能明显提高置钉精准性,在临床上有着重要应用价值,尤其适用于体型偏瘦或正常病患。