引用本文： 夏燊, 趙澤雨, 徐永清, 呂乾, 浦紹全, 陳漢芬, 齊欣, 朱躍良. 后跟部形態學測量及解剖型跟骨外固定器的設計. 中國修復重建外科雜志, 2020, 34(4): 475-481. doi: 10.7507/1002-1892.201908149 復制
跟骨由于其特殊的解剖位置和末端負重功能，高能量損傷所致跟骨骨折給骨科醫生帶來了不少困擾[1]。跟骨骨折占全身骨折的 1%～4%，其中關節內骨折占 60%～80%[2]，通常跟骨關節內骨折后功能恢復較差，應盡量行手術治療[3]。迄今為止尚無一種方法普遍適用于所有跟骨骨折[4]。
內固定術治療跟骨骨折存在鋼板螺釘易引起足跟部軟組織腫脹、內植物占位、粉碎性骨折難以固定、切口較大影響血運恢復、切口易感染、發展為骨髓炎的概率較外固定高等問題[5]。在傳統的環形跟骨外固定器中，無論是半環、C 形環還是 U 形環，均未對后跟部進行形態學優化設計，在應對復雜的跟骨骨折時，往往運用 3 枚全環及 2 枚以上 C 形環與其他配件組合成復雜構型，增加了手術難度。根據外固定技術治療跟骨骨折的優勢及傳統環形外固定器存在的缺陷[6]，結合后跟部的形態學數據，綜合術前討論、手術及術后康復等臨床經驗，我們自主研究設計了一種解剖型跟骨外固定器（專利號：CN 201910646646.X）。本文將測量計算后跟部形態學數據的原理、方法，以及解剖型跟骨外固定器的設計結構、原理報告如下。
1 正常后跟部形態學數據測量
1.1 研究對象
納入標準：① 年齡 18～70 歲，步態正常；② 足踝部無畸形、無手術外傷史。排除標準：① 雙下肢循環系統、淋巴系統及神經系統障礙導致雙下肢浮腫、外觀畸形者；② 伴有中重度營養不良、糖尿病、脈管炎、腎病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、長期肺功能障礙等嚴重基礎疾病者。本研究在符合選擇標準的人群中隨機抽取 100 名參與者，獲得 200 例后足數據，其中男 45 例，女 55 例；年齡 19～67 歲，平均 43.9 歲。鞋碼（歐碼 EUR）34～44 碼，平均 38 碼。
1.2 測量方法
以直接測量模式分別測量負重站立位及平臥位后跟部形態。負重站立位采用游標卡尺骨性標志測量法，平臥位采用 3D 點陣倒模測量板測量法。
1.2.1 負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
被測量者身體直立，雙足與肩同寬站立于水平地面。測量者辨認、觸摸并標記出跟骨載踞突、跟骨結節、內踝關節囊、踝關節外窩等骨性標志。標記完成后游標卡尺測量以下指標：① 后跟長：外踝跟骰關節窩至后跟末距離；② 后跟寬：后跟最寬部的距離；③ 后跟高：水平面至跟腱止點的距離；④ 內踝高：內踝關節囊中心點至水平面的距離；⑤ 外踝高：踝關節外窩中心點至水平面的距離；⑥ 后跟傾斜角（calcaneal pitch angle，CPA）：站立位時跟骨前下緣與跟骨前結節最下緣的連線與地面之間的夾角[7]。讀數精確至 1 mm，并在 0.1 mm 數位進行預讀，仔細記錄數據[8]。見圖1。
圖1
負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
a. 后跟長；b. 后跟寬；c. 后跟高；d. 內踝高；e. 外踝高；f. CPA
Figure1. Bone-marker measured with vernier caliper method in weight-bearing standing positiona. Heel length; b. Heel width; c. Heel height; d. Medial ankle height; e. Lateral ankle height; f. CPA
1.2.2 平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
該方法根據 Harris Mat 足印法[9]進行改良，優點是被測量者足底無需涂抹染料，并且能夠完整地獲得足底內側數據；缺點是測量精度由 0.10 cm 降低為 0.33 cm。被測量者平臥于水平測試床上，測量者以 3D 點陣倒模測量板印于被測量者后跟部，獲得 3D 后跟點陣倒模圖像。見圖2。將測得的后跟部三維形態數據水平面結果通過 AutoCAD 2019（Autodesk 公司，美國）測算坐標，獲得點位；點位通過記事本記錄為 .txt 格式的二進制數據文件，將所有點云數據導入 Geomagic Wrap 2015（Geomagic 公司，美國），得到圖集。
圖2
平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
a. 內側觀；b. 足底觀；c. 外側觀
Figure2. 3D dot matrix measuring plate measuring method in supine positiona. Medial view of foot; b. Bottom view of foot; c. Lateral view of foot
1.3 統計學方法
采用 SPSS21.0 統計軟件進行分析。負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量的數據以均數±標準差表示，男女性別組間比較采用獨立樣本 t 檢驗，左右足組間比較采用配對 t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
1.4 結果
1.4.1 負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
男性人群的鞋碼、后跟長、后跟寬、后跟高、內踝高、外踝高、CPA 均顯著大于女性人群，差異有統計學意義（P<0.05）。見表1。除左足內踝高明顯小于右足，差異有統計學意義（t=?2.827，P=0.005）外，其余各指標左右足間比較差異均無統計學意義（P>0.05），從形態上基本可認為左右足為鏡像對稱關系。見表2。
表1
男女負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量指標比較（
）
Table1.
Comparison of measurement data by vernier caliper measurement method between the male and the female (
)
表2
左右足負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量指標比較（n=100，
）
Table2.
Comparison of measurement data by vernier caliper measurement method between the left foot and the right foot (n=100, 
)
1.4.2 平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
所得圖集示：足跟部為非正圓弧邊，多組弧邊合成的圖集總體在一個有限范圍內波動。根據外固定環與軟組織距離為 1.5 cm 的算法[10]，等效形變非正圓弧邊圖集，獲得后跟部的點云圖集（圖中 Y 軸 0 值代表后跟冠狀面中線）。見圖3。
圖3
平臥位 3D 點陣倒模測量板測量數據的初步處理
a. 點位示意圖；b. CAD 點位測算示意圖；c. 后跟部冠狀面等效形變非正圓弧邊圖集
Figure3. Preliminary processing of supine position 3D dot matrix measuring plate measurement dataa. Point diagram; b. Schematic diagram of measuring points with CAD; c. The atlas of the non-circular arc edge in coronal plane of the heel was equivalently deformed
2 解剖型跟骨外固定器的設計
2.1 解剖型跟骨外固定環的設計
解剖型跟骨外固定器最重要的部件為解剖型跟骨外固定環（簡稱“跟骨環”），設計原理如下：① 根據測量后跟部數據等效形變的非正圓弧邊，滿足后跟部冠狀面的形態；② 內踝部進行拐角設計，避免外固定環卡壓內踝髁突周圍軟組織；③ 直邊等距排孔，等距設計方便與傳統全環或 C 形環配件連接；④ 利用左右足鏡像對稱的原理，使環的正反面分別對應左右腳；⑤ 中足外側部開口進行輕度內偏轉設計，便于后足加壓固定時相關配件的連接固定；⑥ 在雙側及開口部進行開槽設計，以獲得多角度進針及多配件連接功能；⑦ 在增加開槽的部位以弧形填充方式進行加固設計。并且，根據點云圖的數據區間，結合男女足底各指標數值不同的特性，采用 SOLIDWORKS 2016（Siemens 公司，德國）繪制設計圖，并成功試制出大、小號兩種金屬模板。見圖4。
圖4
跟骨環設計示意圖及金屬模板
a. 設計示意圖 1：非正圓弧邊 2：內踝拐角 3：直邊等距孔 4：左右足鏡像對稱 5：中足外側部開口輕度內偏轉 6：雙側及開口部開槽 7：弧形填充；b. 大、小號金屬模板
Figure4. Design diagram and metal template of calcaneal anatomical external fixatora. Design diagram 1: Non-circular arc edge 2: Corner at medial ankle 3: The holes that is equal distance and straight edge 4: Design by mirror-symmetric relationship of the left and right feet 5: Slight inward corner at lateral midfoot 6: Grooves on both sides and front 7: Smoothing; b. Large and small metal templates
2.2 不同構型解剖型跟骨外固定器的設計
2.2.1 普通構型
通過對跟骨骨折的損傷特點、Sanders 分型標準以及坎貝爾骨科手術學的要求設計，再根據中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院多位創傷骨科及足踝外科高年資醫師的臨床經驗優化改良，設計出解剖型跟骨外固定器的第一種構型——普通構型。該構型包括跟骨環、2.0 mm 克氏針、墊片、2.0 mm 克氏針固定墊片、M8 螺栓及螺母。見圖5a。該構型適用于關節內骨折塊無移位或輕度移位的 Sanders Ⅰ、ⅡA 及ⅡB 型跟骨骨折患者，以簡單固定為主。同時，該構型也可以作為中足及后足的構型基座，除跟骨損傷之外的足跗骨損傷，也可在此構型基礎上調整穿針位置進行固定。
圖5
不同構型的解剖型跟骨外固定器
a. 普通構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 克氏針 3：墊片 4：2.0 mm 克氏針固定墊片 5：M8 螺栓 6：M8 螺母；b. 加壓構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 橄欖針 3：2.0 mm 克氏針 4：墊片 5：2.0 mm 克氏針固定墊片6：M8 螺栓 7：M8 螺母；c. 正畸構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 克氏針 3：2.0 mm 克氏針固定墊片 4：30 孔全環 5：M8 螺母6：M8 螺紋桿 7：多孔連接片 8：M8 螺栓 9：T 型關節器 10：鎖定關節器 11：前足固定模塊
Figure5. Different configuration of anatomical calcaneal external fixatorsa. Ordinary configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators2: 2.0 mm wires 3: Washer 4: 2.0 mm wires fixation washer 5: M8 bolt 6: M8 nut; b. Compression configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators 2: 2.0 mm wires with stopper 3: 2.0 mm wires 4: Washer 5: 2.0 mm wires fixation washer 6: M8 bolt 7: M8 nut; c. Orthodontic configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators 2: 2.0 mm wires 3: 2.0 mm wires fixation washer 4: 30-hole ring 5: M8 nut 6: M8 threaded rod 7: Connection plates 8: M8 bolt 9: T-joint 10: Two-way joint 11: Forefoot fixation module
2.2.2 加壓構型
在普通構型基礎上，我們增加了以 2.0 mm 橄欖針從內側足跟后部斜向外側中足開口部進針的第二種構型方案——加壓構型。該構型針對 Sanders ⅡC、ⅢA、ⅢB 型以及舌型和撕脫型跟骨骨折設計，橄欖針有消除或減弱應力的作用，對于力學變化引起的術中復位后易移位的骨折塊有良好的固定作用。針對完全斷裂的跟骨受跟腱牽拉所形成的嚴重移位骨折塊，以橄欖針斜拉固定的方式固定移位骨塊。見圖5b。
2.2.3 正畸構型
更為嚴重的 Sanders ⅢC、Ⅳ型跟骨骨折往往伴有骨質缺損和除跟骨外的其他骨骼損傷，需要關節融合或植骨處理；軟組織損傷情況通常較為嚴重，等待消腫時間長；復位較為困難，復位后難以避免畸形愈合等問題，對于復位固定的要求更高。針對此情況，我們設計出第三種構型方案——正畸構型。該構型為多模塊設計，可用不同模塊自由組合。該構型在加壓構型的基礎上添加了前足固定模塊及小腿固定模塊。前足固定模塊由 2 個耳形環（1/4 環）、3 個鎖定關節器、1 個 T 形關節器及 1 根螺紋桿構成，可用螺栓與其他模塊連接；小腿固定模塊由 2 個全環及 3～4 根螺紋桿構成，通過 M8 螺母連接牢固后，再用 2～3 根螺紋桿與加壓構型或普通構型連接。連接時可根據損傷程度及踝關節功能選擇是否行關節固定，若需保留關節活動度，在小腿固定模塊與跟骨環連接時，可在螺紋桿與跟骨環連接時加裝 2～3 個鎖定關節器。該構型能夠兼顧穩固固定骨折和任意調節關節固定角度的要求，既可滿足小腿及足踝部位骨折的穩固固定，也可利用調整部件來選擇是否部分固定踝關節或行踝關節融合[11]；對于皮瓣、植骨等手術具有良好的輔助固定作用；微創固定可早期應對開放性損傷；通過調節螺紋桿的長度，可對踝關節加壓融合；T 型關節器向上提拉前足模塊，可預防或矯正足下垂等畸形愈合。見圖5c。
3 討論
3.1 現有外固定器
1993 年，Paley 等[12]報道了跟骨關節內骨折時應用環形細針外固定器治療，該外固定器以圓環為中心固定，它的出現是環形外固定器在足踝外科領域的里程碑，該技術彌補了內固定對于治療關節內多塊碎裂跟骨骨折時的不足。但是，單排孔半環（1/2 環）和 C 形環（3/4 環）開口內扣，容易卡壓內踝腫脹的軟組織；環的后側部圓弧膨出造成了連接孔的空間浪費；兩側少孔，連接其他部件的空間較少。原因是其并未針對足踝部解剖形態做出更貼合的設計，仍采用了通配式部件。
2010 年，Lamm 等[13]報道了使用 Taylor 空間外固定技術治療跟骨缺損。Taylor 空間外固定技術是基于 Ilizarov 外固定架的原理，以計算機及相關專業軟件的輔助，對于骨折、骨缺損或者畸形實施六軸模式的固定、拉伸與矯正。應用 Taylor 空間外固定架治療開放性骨折可以更精確地矯正成角、錯位、旋轉、短縮及分離畸形，其優點是微創、精準[14]。但是，該外固定架成本較高，需要專業的參數錄入設備以及相關的計算機軟件及 Stewart 平臺的支持[15]；對后跟部的 U 形環進行了加寬加厚設計，增加了 U 形環的重量，更增添了患者在佩戴時的負重感；其構型尤為笨重，不方便患者下床鍛煉。
此后，也有作者改良環形細針外固定系統，令其逐步發展為有限切開、撬撥復位后克氏針或橄欖針固定的模式，并且對于后跟及內外踝部軟組織的破壞也逐步減小，盡量保留軟組織血供，解決了內植物占位等問題[16]。但是，在傳統的環形跟骨外固定器中，無論是半環、C 形環還是 U 形環，均未對后跟部進行形態學優化設計；在應對復雜的跟骨骨折時往往運用 3 枚全環及 2 枚以上 C 形環與其他配件組合成的復雜構型，增加了手術難度。
3.2 設計亮點
足踝部的解剖形態是自然選擇的結果，足部骨骼及其之間的關節面將自身的重力巧妙分解到前、中、后足，同時還滿足了足踝部屈、伸、內旋、外展等運動所產生的旋轉及剪切應力，所以在固定足跟部時，要在保證將骨折端固定穩固的同時，兼顧關節的生物力學特性，滿足對于跟骨骨折、距骨骨折等足跟部創傷的治療需求[17]。環形外固定架的軸心固定模式在固定足跟部時應貼合足跟部的自然解剖形態，通過調節不同組件的位置及角度，可以保留關節活動[11, 18]，擁有成百上千種不同的構型，同時這些構型之間又有著相同的法則原理，遵循 Wolff 法則[19-20]和環形穿針外固定原理[10]。該技術適應證較內固定技術廣泛，術前等待消腫的時間較短，可以根據不同骨折類型結合外科醫生的經驗來靈活運用[21]。局限外固定構型的僅僅是醫生的想象力[22]。
環形外固定技術的優點及其重要性不容小覷。為了彌補外固定技術在跟骨部位的缺陷，我們設計研發了解剖型跟骨外固定器。該型跟骨環綜合了人體工程學中人機工程學的要求[23]，局部解剖學中足踝部分的解剖學特點[24]，機械工程學中工業設計 CAD 運算繪圖的要求[25]，生物力學中骨與關節的力線及固定原則[26]以及外固定器的固定原則[27]進行設計。以正畸構型為例，根據后跟部及足踝整體的解剖形態采用多功能模塊組合式設計，模塊與模塊之間能夠以通配式配件巧妙串聯；以不同的模塊穩固固定不同的小腿或足踝骨折；也可根據需要增減配件或模塊，以達到固定關節或保留關節活動度的目的；最大限度地增加外固定器對于足踝創傷的適應證；以克氏針作為內植物，減少內植物對于腫脹軟組織的體內占位；可以用不同構型對不同程度的跟骨骨折患者進行更靈活的個性化定制手術。
3.3 不足之處
解剖型跟骨外固定器盡管通過貼合解剖設計降低了部分手術難度，但是該技術對于外固定原理的理解應用及醫師的技術水平仍有較高要求；目前的設計僅為解剖型跟骨外固定器的理論研究及計算機設計；還需要通過工程師的進一步優化設計以獲得更多型號；仍可能存在針道感染等傳統外固定的缺陷；并且對于術后護理有較高要求；以上問題需要后續工作來進行改良。
綜上述，理論上解剖型跟骨外固定器的跟骨環貼合解剖形態，多模塊固定的設計不僅可滿足不同類型跟骨骨折的固定需要，更可以通過調整配件保留踝關節活動或行踝關節固定，設計合理。我們期待該外固定器可以早日進行臨床測試，以期更好地為患者服務。
作者貢獻：夏燊直接參與“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發，查閱相關文獻及書籍，起草并攥寫文章；朱躍良參與收集數據方法的設計及“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發；夏燊、趙澤雨參與收集數據方法的設計與實施，數據收集整理及統計分析，查閱相關文獻及書籍；呂乾、浦紹全參與收集數據方法的設計與實施及“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發；陳漢芬、齊欣參與收集數據及“解剖型跟骨外固定器”的研發；徐永清、朱躍良對文章的知識性內容作批評性審閱。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：研究方案經中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院倫理委員會批準［倫審 2019-009（科）-01］。
跟骨由于其特殊的解剖位置和末端負重功能，高能量損傷所致跟骨骨折給骨科醫生帶來了不少困擾[1]。跟骨骨折占全身骨折的 1%～4%，其中關節內骨折占 60%～80%[2]，通常跟骨關節內骨折后功能恢復較差，應盡量行手術治療[3]。迄今為止尚無一種方法普遍適用于所有跟骨骨折[4]。
內固定術治療跟骨骨折存在鋼板螺釘易引起足跟部軟組織腫脹、內植物占位、粉碎性骨折難以固定、切口較大影響血運恢復、切口易感染、發展為骨髓炎的概率較外固定高等問題[5]。在傳統的環形跟骨外固定器中，無論是半環、C 形環還是 U 形環，均未對后跟部進行形態學優化設計，在應對復雜的跟骨骨折時，往往運用 3 枚全環及 2 枚以上 C 形環與其他配件組合成復雜構型，增加了手術難度。根據外固定技術治療跟骨骨折的優勢及傳統環形外固定器存在的缺陷[6]，結合后跟部的形態學數據，綜合術前討論、手術及術后康復等臨床經驗，我們自主研究設計了一種解剖型跟骨外固定器（專利號：CN 201910646646.X）。本文將測量計算后跟部形態學數據的原理、方法，以及解剖型跟骨外固定器的設計結構、原理報告如下。
1 正常后跟部形態學數據測量
1.1 研究對象
納入標準：① 年齡 18～70 歲，步態正常；② 足踝部無畸形、無手術外傷史。排除標準：① 雙下肢循環系統、淋巴系統及神經系統障礙導致雙下肢浮腫、外觀畸形者；② 伴有中重度營養不良、糖尿病、脈管炎、腎病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、長期肺功能障礙等嚴重基礎疾病者。本研究在符合選擇標準的人群中隨機抽取 100 名參與者，獲得 200 例后足數據，其中男 45 例，女 55 例；年齡 19～67 歲，平均 43.9 歲。鞋碼（歐碼 EUR）34～44 碼，平均 38 碼。
1.2 測量方法
以直接測量模式分別測量負重站立位及平臥位后跟部形態。負重站立位采用游標卡尺骨性標志測量法，平臥位采用 3D 點陣倒模測量板測量法。
1.2.1 負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
被測量者身體直立，雙足與肩同寬站立于水平地面。測量者辨認、觸摸并標記出跟骨載踞突、跟骨結節、內踝關節囊、踝關節外窩等骨性標志。標記完成后游標卡尺測量以下指標：① 后跟長：外踝跟骰關節窩至后跟末距離；② 后跟寬：后跟最寬部的距離；③ 后跟高：水平面至跟腱止點的距離；④ 內踝高：內踝關節囊中心點至水平面的距離；⑤ 外踝高：踝關節外窩中心點至水平面的距離；⑥ 后跟傾斜角（calcaneal pitch angle，CPA）：站立位時跟骨前下緣與跟骨前結節最下緣的連線與地面之間的夾角[7]。讀數精確至 1 mm，并在 0.1 mm 數位進行預讀，仔細記錄數據[8]。見圖1。
圖1
負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
a. 后跟長；b. 后跟寬；c. 后跟高；d. 內踝高；e. 外踝高；f. CPA
Figure1. Bone-marker measured with vernier caliper method in weight-bearing standing positiona. Heel length; b. Heel width; c. Heel height; d. Medial ankle height; e. Lateral ankle height; f. CPA
1.2.2 平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
該方法根據 Harris Mat 足印法[9]進行改良，優點是被測量者足底無需涂抹染料，并且能夠完整地獲得足底內側數據；缺點是測量精度由 0.10 cm 降低為 0.33 cm。被測量者平臥于水平測試床上，測量者以 3D 點陣倒模測量板印于被測量者后跟部，獲得 3D 后跟點陣倒模圖像。見圖2。將測得的后跟部三維形態數據水平面結果通過 AutoCAD 2019（Autodesk 公司，美國）測算坐標，獲得點位；點位通過記事本記錄為 .txt 格式的二進制數據文件，將所有點云數據導入 Geomagic Wrap 2015（Geomagic 公司，美國），得到圖集。
圖2
平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
a. 內側觀；b. 足底觀；c. 外側觀
Figure2. 3D dot matrix measuring plate measuring method in supine positiona. Medial view of foot; b. Bottom view of foot; c. Lateral view of foot
1.3 統計學方法
采用 SPSS21.0 統計軟件進行分析。負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量的數據以均數±標準差表示，男女性別組間比較采用獨立樣本 t 檢驗，左右足組間比較采用配對 t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
1.4 結果
1.4.1 負重站立位游標卡尺骨性標志測量法
男性人群的鞋碼、后跟長、后跟寬、后跟高、內踝高、外踝高、CPA 均顯著大于女性人群，差異有統計學意義（P<0.05）。見表1。除左足內踝高明顯小于右足，差異有統計學意義（t=?2.827，P=0.005）外，其余各指標左右足間比較差異均無統計學意義（P>0.05），從形態上基本可認為左右足為鏡像對稱關系。見表2。
表1
男女負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量指標比較（）
Table1.
Comparison of measurement data by vernier caliper measurement method between the male and the female ()
表2
左右足負重站立位游標卡尺骨性標志測量法測量指標比較（n=100，）
Table2.
Comparison of measurement data by vernier caliper measurement method between the left foot and the right foot (n=100, )
1.4.2 平臥位 3D 點陣倒模測量板測量法
所得圖集示：足跟部為非正圓弧邊，多組弧邊合成的圖集總體在一個有限范圍內波動。根據外固定環與軟組織距離為 1.5 cm 的算法[10]，等效形變非正圓弧邊圖集，獲得后跟部的點云圖集（圖中 Y 軸 0 值代表后跟冠狀面中線）。見圖3。
圖3
平臥位 3D 點陣倒模測量板測量數據的初步處理
a. 點位示意圖；b. CAD 點位測算示意圖；c. 后跟部冠狀面等效形變非正圓弧邊圖集
Figure3. Preliminary processing of supine position 3D dot matrix measuring plate measurement dataa. Point diagram; b. Schematic diagram of measuring points with CAD; c. The atlas of the non-circular arc edge in coronal plane of the heel was equivalently deformed
2 解剖型跟骨外固定器的設計
2.1 解剖型跟骨外固定環的設計
解剖型跟骨外固定器最重要的部件為解剖型跟骨外固定環（簡稱“跟骨環”），設計原理如下：① 根據測量后跟部數據等效形變的非正圓弧邊，滿足后跟部冠狀面的形態；② 內踝部進行拐角設計，避免外固定環卡壓內踝髁突周圍軟組織；③ 直邊等距排孔，等距設計方便與傳統全環或 C 形環配件連接；④ 利用左右足鏡像對稱的原理，使環的正反面分別對應左右腳；⑤ 中足外側部開口進行輕度內偏轉設計，便于后足加壓固定時相關配件的連接固定；⑥ 在雙側及開口部進行開槽設計，以獲得多角度進針及多配件連接功能；⑦ 在增加開槽的部位以弧形填充方式進行加固設計。并且，根據點云圖的數據區間，結合男女足底各指標數值不同的特性，采用 SOLIDWORKS 2016（Siemens 公司，德國）繪制設計圖，并成功試制出大、小號兩種金屬模板。見圖4。
圖4
跟骨環設計示意圖及金屬模板
a. 設計示意圖 1：非正圓弧邊 2：內踝拐角 3：直邊等距孔 4：左右足鏡像對稱 5：中足外側部開口輕度內偏轉 6：雙側及開口部開槽 7：弧形填充；b. 大、小號金屬模板
Figure4. Design diagram and metal template of calcaneal anatomical external fixatora. Design diagram 1: Non-circular arc edge 2: Corner at medial ankle 3: The holes that is equal distance and straight edge 4: Design by mirror-symmetric relationship of the left and right feet 5: Slight inward corner at lateral midfoot 6: Grooves on both sides and front 7: Smoothing; b. Large and small metal templates
2.2 不同構型解剖型跟骨外固定器的設計
2.2.1 普通構型
通過對跟骨骨折的損傷特點、Sanders 分型標準以及坎貝爾骨科手術學的要求設計，再根據中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院多位創傷骨科及足踝外科高年資醫師的臨床經驗優化改良，設計出解剖型跟骨外固定器的第一種構型——普通構型。該構型包括跟骨環、2.0 mm 克氏針、墊片、2.0 mm 克氏針固定墊片、M8 螺栓及螺母。見圖5a。該構型適用于關節內骨折塊無移位或輕度移位的 Sanders Ⅰ、ⅡA 及ⅡB 型跟骨骨折患者，以簡單固定為主。同時，該構型也可以作為中足及后足的構型基座，除跟骨損傷之外的足跗骨損傷，也可在此構型基礎上調整穿針位置進行固定。
圖5
不同構型的解剖型跟骨外固定器
a. 普通構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 克氏針 3：墊片 4：2.0 mm 克氏針固定墊片 5：M8 螺栓 6：M8 螺母；b. 加壓構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 橄欖針 3：2.0 mm 克氏針 4：墊片 5：2.0 mm 克氏針固定墊片6：M8 螺栓 7：M8 螺母；c. 正畸構型 1：跟骨環 2：2.0 mm 克氏針 3：2.0 mm 克氏針固定墊片 4：30 孔全環 5：M8 螺母6：M8 螺紋桿 7：多孔連接片 8：M8 螺栓 9：T 型關節器 10：鎖定關節器 11：前足固定模塊
Figure5. Different configuration of anatomical calcaneal external fixatorsa. Ordinary configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators2: 2.0 mm wires 3: Washer 4: 2.0 mm wires fixation washer 5: M8 bolt 6: M8 nut; b. Compression configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators 2: 2.0 mm wires with stopper 3: 2.0 mm wires 4: Washer 5: 2.0 mm wires fixation washer 6: M8 bolt 7: M8 nut; c. Orthodontic configuration 1: Anatomical calcaneal external fixators 2: 2.0 mm wires 3: 2.0 mm wires fixation washer 4: 30-hole ring 5: M8 nut 6: M8 threaded rod 7: Connection plates 8: M8 bolt 9: T-joint 10: Two-way joint 11: Forefoot fixation module
2.2.2 加壓構型
在普通構型基礎上，我們增加了以 2.0 mm 橄欖針從內側足跟后部斜向外側中足開口部進針的第二種構型方案——加壓構型。該構型針對 Sanders ⅡC、ⅢA、ⅢB 型以及舌型和撕脫型跟骨骨折設計，橄欖針有消除或減弱應力的作用，對于力學變化引起的術中復位后易移位的骨折塊有良好的固定作用。針對完全斷裂的跟骨受跟腱牽拉所形成的嚴重移位骨折塊，以橄欖針斜拉固定的方式固定移位骨塊。見圖5b。
2.2.3 正畸構型
更為嚴重的 Sanders ⅢC、Ⅳ型跟骨骨折往往伴有骨質缺損和除跟骨外的其他骨骼損傷，需要關節融合或植骨處理；軟組織損傷情況通常較為嚴重，等待消腫時間長；復位較為困難，復位后難以避免畸形愈合等問題，對于復位固定的要求更高。針對此情況，我們設計出第三種構型方案——正畸構型。該構型為多模塊設計，可用不同模塊自由組合。該構型在加壓構型的基礎上添加了前足固定模塊及小腿固定模塊。前足固定模塊由 2 個耳形環（1/4 環）、3 個鎖定關節器、1 個 T 形關節器及 1 根螺紋桿構成，可用螺栓與其他模塊連接；小腿固定模塊由 2 個全環及 3～4 根螺紋桿構成，通過 M8 螺母連接牢固后，再用 2～3 根螺紋桿與加壓構型或普通構型連接。連接時可根據損傷程度及踝關節功能選擇是否行關節固定，若需保留關節活動度，在小腿固定模塊與跟骨環連接時，可在螺紋桿與跟骨環連接時加裝 2～3 個鎖定關節器。該構型能夠兼顧穩固固定骨折和任意調節關節固定角度的要求，既可滿足小腿及足踝部位骨折的穩固固定，也可利用調整部件來選擇是否部分固定踝關節或行踝關節融合[11]；對于皮瓣、植骨等手術具有良好的輔助固定作用；微創固定可早期應對開放性損傷；通過調節螺紋桿的長度，可對踝關節加壓融合；T 型關節器向上提拉前足模塊，可預防或矯正足下垂等畸形愈合。見圖5c。
3 討論
3.1 現有外固定器
1993 年，Paley 等[12]報道了跟骨關節內骨折時應用環形細針外固定器治療，該外固定器以圓環為中心固定，它的出現是環形外固定器在足踝外科領域的里程碑，該技術彌補了內固定對于治療關節內多塊碎裂跟骨骨折時的不足。但是，單排孔半環（1/2 環）和 C 形環（3/4 環）開口內扣，容易卡壓內踝腫脹的軟組織；環的后側部圓弧膨出造成了連接孔的空間浪費；兩側少孔，連接其他部件的空間較少。原因是其并未針對足踝部解剖形態做出更貼合的設計，仍采用了通配式部件。
2010 年，Lamm 等[13]報道了使用 Taylor 空間外固定技術治療跟骨缺損。Taylor 空間外固定技術是基于 Ilizarov 外固定架的原理，以計算機及相關專業軟件的輔助，對于骨折、骨缺損或者畸形實施六軸模式的固定、拉伸與矯正。應用 Taylor 空間外固定架治療開放性骨折可以更精確地矯正成角、錯位、旋轉、短縮及分離畸形，其優點是微創、精準[14]。但是，該外固定架成本較高，需要專業的參數錄入設備以及相關的計算機軟件及 Stewart 平臺的支持[15]；對后跟部的 U 形環進行了加寬加厚設計，增加了 U 形環的重量，更增添了患者在佩戴時的負重感；其構型尤為笨重，不方便患者下床鍛煉。
此后，也有作者改良環形細針外固定系統，令其逐步發展為有限切開、撬撥復位后克氏針或橄欖針固定的模式，并且對于后跟及內外踝部軟組織的破壞也逐步減小，盡量保留軟組織血供，解決了內植物占位等問題[16]。但是，在傳統的環形跟骨外固定器中，無論是半環、C 形環還是 U 形環，均未對后跟部進行形態學優化設計；在應對復雜的跟骨骨折時往往運用 3 枚全環及 2 枚以上 C 形環與其他配件組合成的復雜構型，增加了手術難度。
3.2 設計亮點
足踝部的解剖形態是自然選擇的結果，足部骨骼及其之間的關節面將自身的重力巧妙分解到前、中、后足，同時還滿足了足踝部屈、伸、內旋、外展等運動所產生的旋轉及剪切應力，所以在固定足跟部時，要在保證將骨折端固定穩固的同時，兼顧關節的生物力學特性，滿足對于跟骨骨折、距骨骨折等足跟部創傷的治療需求[17]。環形外固定架的軸心固定模式在固定足跟部時應貼合足跟部的自然解剖形態，通過調節不同組件的位置及角度，可以保留關節活動[11, 18]，擁有成百上千種不同的構型，同時這些構型之間又有著相同的法則原理，遵循 Wolff 法則[19-20]和環形穿針外固定原理[10]。該技術適應證較內固定技術廣泛，術前等待消腫的時間較短，可以根據不同骨折類型結合外科醫生的經驗來靈活運用[21]。局限外固定構型的僅僅是醫生的想象力[22]。
環形外固定技術的優點及其重要性不容小覷。為了彌補外固定技術在跟骨部位的缺陷，我們設計研發了解剖型跟骨外固定器。該型跟骨環綜合了人體工程學中人機工程學的要求[23]，局部解剖學中足踝部分的解剖學特點[24]，機械工程學中工業設計 CAD 運算繪圖的要求[25]，生物力學中骨與關節的力線及固定原則[26]以及外固定器的固定原則[27]進行設計。以正畸構型為例，根據后跟部及足踝整體的解剖形態采用多功能模塊組合式設計，模塊與模塊之間能夠以通配式配件巧妙串聯；以不同的模塊穩固固定不同的小腿或足踝骨折；也可根據需要增減配件或模塊，以達到固定關節或保留關節活動度的目的；最大限度地增加外固定器對于足踝創傷的適應證；以克氏針作為內植物，減少內植物對于腫脹軟組織的體內占位；可以用不同構型對不同程度的跟骨骨折患者進行更靈活的個性化定制手術。
3.3 不足之處
解剖型跟骨外固定器盡管通過貼合解剖設計降低了部分手術難度，但是該技術對于外固定原理的理解應用及醫師的技術水平仍有較高要求；目前的設計僅為解剖型跟骨外固定器的理論研究及計算機設計；還需要通過工程師的進一步優化設計以獲得更多型號；仍可能存在針道感染等傳統外固定的缺陷；并且對于術后護理有較高要求；以上問題需要后續工作來進行改良。
綜上述，理論上解剖型跟骨外固定器的跟骨環貼合解剖形態，多模塊固定的設計不僅可滿足不同類型跟骨骨折的固定需要，更可以通過調整配件保留踝關節活動或行踝關節固定，設計合理。我們期待該外固定器可以早日進行臨床測試，以期更好地為患者服務。
作者貢獻：夏燊直接參與“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發，查閱相關文獻及書籍，起草并攥寫文章；朱躍良參與收集數據方法的設計及“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發；夏燊、趙澤雨參與收集數據方法的設計與實施，數據收集整理及統計分析，查閱相關文獻及書籍；呂乾、浦紹全參與收集數據方法的設計與實施及“解剖型跟骨外固定器”的設計與研發；陳漢芬、齊欣參與收集數據及“解剖型跟骨外固定器”的研發；徐永清、朱躍良對文章的知識性內容作批評性審閱。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：研究方案經中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院倫理委員會批準［倫審 2019-009（科）-01］。
