外固定具を用いて治療した乳頭骨骨折の骨片の応力分布と微動.有限要素法による解析

Stress Distributions and Micromovement of Fragment Bone of Pilon Fracture Treated With External Fixator: A Finite Element Analysis.

• Muhammad Hanif Ramlee
• Hong Seng Gan
• Siti Asmah Daud
• Asnida Abdul Wahab
• Mohammed Rafiq Abdul Kadir

抄録

骨粗鬆症と変形性関節症はヒトの骨組織の一般的な病理学的問題である。これら2つの病態に関連したピロン骨折の症例がある。治療の面では、ピロン骨折を有する正常で健康な骨には、患者の早期動員を可能にし、治癒過程の安定性を提供することができるので、デルタ外固定器の使用は好ましい選択肢である。しかし、骨の硬さが低い場合には、外固定器の安定性が異なることが知られており、これまで調査されていなかった。そこで、本研究では、骨粗鬆症や変形性関節症を伴うピロン骨折の治療における外固定具の安定性、特に骨折片の応力分布と微小運動の微分化を目的として、外固定具の安定性を検討した。足首と足の骨の3次元有限要素モデルをコンピュータ断層撮影データに基づいて再構築した。骨は、中足骨5本、楔状骨3本、立方骨、舟状骨、踵骨、距骨、腓骨、脛骨の各1本から構成された。中足骨は5本、楔状骨は3本、立方骨は舟状骨、踵骨は距骨、腓骨、脛骨は各1本で構成されており、直線的な等方性を持っている。足関節は靭帯と軟骨からなり、それぞれ線形リンクとMooney-Rivlinモデルを用いて割り付けました。歩行サイクルのシミュレーションでは、脛骨に軸方向に70Nと350Nの荷重をかけ、それぞれスイング相とスタンス相を表現した。中足骨と踵骨は剛体が動かないように固定した。その結果、スタンス相では、骨粗鬆症モデル（108MPa）ではピン-骨界面に最大のフォン・ミーゼス応力値が観測され、次いで変形性関節症モデル（87MPa）、正常モデル（44MPa）の順であった。微小運動については、骨粗鬆症モデルが0.26mmと最も大きな値を示し、次いで変形性関節症モデル（0.09mm）と正常モデル（0.03mm）であった。結論として、骨粗鬆症モデルでは応力と微小運動の最大値が観察され、この病態に伴うピロン骨折の治療には細心の注意が必要であることが示された。

Osteoporosis and osteoarthritis are common pathological problems of the human bone tissue. There are some cases of pilon fractures associated with these 2 pathological conditions. In terms of treatment, for a normal and healthy bone with pilon fracture, the use of the Delta external fixator is a favorable option because it can allow early mobilization for patients and provide stability for the healing process. However, the stability of the external fixator differs when there is low bone stiffness, which has not been previously investigated. Therefore, this study was conducted to determine the stability of the external fixator to treat pilon fracture associated with osteoporosis and osteoarthritis, particularly to differentiate the stress distribution and micromovement of fracture fragment. Three-dimensional finite element models of the ankle and foot bones were reconstructed based on the computed tomography datasets. The bones consisted of 5 metatarsal, 3 cuneiform, and 1 each of cuboid, navicular, calcaneus, talus, fibula, and tibia bones. They were assigned with linear isotropic behavior. The ankle joint consisted of ligament and cartilage, and they were assigned with the use of linear links and the Mooney-Rivlin model, respectively. During simulation of the gait cycle, 70 N and 350 N were applied axially to the tibia bone to represent the swing and stance phases, respectively. The metatarsal and calcaneus bones were fixed to prevent any movement of the rigid body. The study found that the greatest von Mises stress value was observed at the pin-bone interface for the osteoporosis (108 MPa) model, followed by the osteoarthritis (87 MPa) and normal (44 MPa) models, during the stance phase. For micromovement, the osteoporosis model had the largest value at 0.26 mm, followed by the osteoarthritis (0.09 mm) and normal (0.03 mm) models. In conclusion, the greatest magnitudes of stress and micromovement were observed for the osteoporosis bone and extra care should be taken to treat pilon fracture associated with this pathological condition.

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