脛骨內側開放楔形高位截骨在不同截骨角度下的有限元分析

程邦君,趙登秋(上海市第六人民醫(yī)院金山分院骨科，上海 0599;上海健康醫(yī)學院附屬周浦醫(yī)院外科；通訊作者,E-mail:zgzhlc68@sina.com)

膝關節(jié)的骨性關節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)在人體所有骨性關節(jié)疾病中發(fā)病率最高，尤其好發(fā)于中老年人群，統(tǒng)計發(fā)現在60歲的人群中有約一半的人罹患膝骨關節(jié)炎，而在75歲以上的人群卻高達80%，其常出現膝關節(jié)疼痛、腫脹、畸形等癥狀，使老年患者生活質量明顯受到影響。其中內側間室性骨關節(jié)炎(medial compartmental osteoarthritis,MCOA)的發(fā)病率約74%[1]。對于以內側間室性骨關節(jié)炎為主的“年輕”患者(小于65歲)，單髁置換或全膝置換均存在創(chuàng)傷較大以及遠期假體磨損松動等方面的問題。脛骨高位截骨術(high tibial osteotomy,HTO)最早在19世紀60年代由Jackson首先提出,該手術旨在通過在脛骨近端進行高位截骨，將下肢力線從膝關節(jié)內側間室轉移到正常的膝關節(jié)外側間室，從而達到緩解關節(jié)疼痛、減輕關節(jié)炎癥狀并延長膝關節(jié)壽命的目的[2,3]；在當今臨床，該術式已成為治療內側間室性骨關節(jié)炎的“良方利劍”。而對于不同截骨角度下是否植骨及截骨角度超過多少需植骨，目前仍有爭論[4-6]，本研究通過計算機三維有限元技術來分析研究對于單純內側間室性骨關節(jié)炎患者行脛骨高位截骨術時，脛骨內側不同截骨角度下的生物學特性。

1 資料與方法

1.1 材料及軟件

選擇5例截骨角度分別在8°，10°，12°，14°和16°的內側間室性膝骨關節(jié)炎病例，分別行脛骨內側高位截骨術，提取術后CT超薄層平掃資料；選擇1例健康成人膝關節(jié)行64排螺旋CT掃描，掃描層厚0.625 mm，床進速度為1.3 mm/s，球管電流與電壓為500 mA和120.0 kV，得到數據均保存為Dicom格式；選用Mimics 19．0、Geomagic 2013、Hypermesh14.0、Solidworks 2014等軟件進行數據分析。

1.2 脛骨近端和內固定系統(tǒng)三維模型的建立

將Dicom格式數據導入Mimicsl9.0軟件，通過灰度值調整、多層編輯、區(qū)域增長等命令使二維CT圖像數據轉化為三維立體圖像，將三維模型以STL文件格式導出；然后將三維模型導入Geomagic 2013，對其進行參數化曲面，構建出Nurbs曲面，最后整體導出IGES格式，在Solidworks中根據鋼板實際幾何尺寸進行鋼板和螺釘的建模，建立好的模型以IGES格式導出；將脛骨近端和內固定系統(tǒng)IGES文件導入3-matic 11.0中進行位置裝配，調整內固定至合適位置，然后一起導入到Hypermesh14.0中進行有限元網格處理，骨和內固定的網格密度都設置為1 mm，然后利用Tetramesh功能進行三維網格建立，構建出線性四面體網格；所有模型以inp格式導入Abaqus6.13中進行仿真分析(見圖1)。

A.Mimics中建立脛骨模型，以STL格式導出；B.STL脛骨模型導入Geomagic軟件進行Nurbs曲面化，以IGES格式導出；C.IGES文件導入Hypermesh軟件中進行網格劃分、截骨；D.建立不同截骨角度;E.在Solidworks軟件中建立鋼板和螺釘三維模型；F.將骨折和鋼板模型導入3-matic軟件進行裝配；G.裝配好的模型三維網格劃分后導入Abaqus軟件進行邊界條件設置和計算；H.計算結果圖1 脛骨近端有限元模型的建立及計算過程Figure 1 The establishment and calculation process of the finite element model of the proximal tibia

1.3 建立5個角度的鋼板內固定模型

將脛骨三維模型按不同截骨角度進行切割構建不同截骨角度的高位截骨模型，在脛骨平臺關節(jié)面下2 cm、脛骨結節(jié)上方水平截骨，保留外側骨皮質，保留脛骨結節(jié)，構建不同截骨角度的脛骨近端鋼板固定模型。脛骨分為皮質骨和松質骨，所有骨假設為各向同性、線彈性材料，皮質骨彈性模量17 GPa，彈性模量0.33，松質骨彈性模量5 GPa，彈性模量0.33。鋼板及螺釘材料屬性設置為鈦合金，彈性模量設置為110 GPa，泊松比為0.3。鋼板固定高位截骨有限元模型。

1.4 設置載荷加載

將脛骨遠端固定，脛骨近端內外側分別加載480 N和720 N的載荷模擬2倍成年人單足站立或輕度運動時膝關節(jié)承受的壓應力(體質量60 kg)。加載應力方式為垂直于脛骨平臺下約2 cm處的截骨面處的軸向加壓，載荷施加方向同脛骨力學軸方向一致，力的作用點位于脛骨截骨處。分別觀察脛骨截骨角度在8°，10°，12°，14°和16°時，脛骨近端的總體應力和位移情況及鋼板的應力和位移情況。本實驗中忽略膝關節(jié)肌肉韌帶力，關節(jié)軟骨、半月板等介質的摩擦力及動力沖擊等因素。

2 結果

將脛骨遠端固定，在脛骨近端內外側分別加載480 N和720 N的載荷，脛骨截骨角度在8°，10°和12°時，脛骨近端的總體應力和位移相關數據接近，基本無差別；鋼板的應力和位移的相關數據也比較接近，差別不大(見圖2,表1)。當截骨角度超過12°時，截骨角度在14°和16°時，脛骨近端的總體應力和位移隨著截骨角度的增大而增加；鋼板的應力和位移也隨著截骨角度的增大而增大(見圖2,表1)。

a-e分別為8°，10°，12°，14°，16°的總體應力；f-j分別為8°，10°，12°，14°，16°的鋼板應力；A-E分別為8°，10°，12°，14°，16°的總體位移；F-J分別為8°，10°，12°，14°，16°的鋼板位移圖2 不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移圖Figure 2 Diagram of overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate at different osteotomy angles

表1 不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移

3 討論

隨著中國老齡化的不斷進展，KOA的發(fā)病率和致畸率都在不斷增高。KOA是由多因素導致的慢性膝關節(jié)疾病，多見于中老年人，其病理特點是關節(jié)軟骨的退行性改變和關節(jié)周圍繼發(fā)性骨質增生[7]。目前臨床對其治療主要采用對癥性保守治療和手術治療，但保守治療對于癥狀重者效果欠佳，而膝關節(jié)置換術后短期功能效果欠佳，同時還可能發(fā)生感染、假體周圍骨折、假體失效等相關并發(fā)癥[8-10]。21世紀以來，在保膝理念影響下，KOA階梯治療的規(guī)范，隨著手術技術的進步，新型內固定材料的不斷研發(fā)，膝骨關節(jié)炎的治療方法取得迅速的發(fā)展[11,12]。目前,脛骨高位截骨術(HTO)已成為治療“年輕”的、伴有內翻畸形的、內側單間室的、不合并半月板及韌帶損傷的骨關節(jié)炎的首選方法。尤其是脛骨內側開放性高位截骨術，由于其具有手術學習曲線較短、傷口小、力線調整方便、糾正畸形精準、腓總神經損傷發(fā)生率低、骨質流失少、不導致肢體短縮及Ⅱ期幾乎不影響關節(jié)置換等優(yōu)勢被日常臨床所首選[13]。但是脛骨內側開放性高位截骨由于內側截骨撐開后，存在楔形骨缺損，并且隨著撐開角度越大，骨缺損容積越大，潛在不愈合可能性增高，據報道發(fā)生延遲愈合或不愈合的發(fā)生率在0～35%之間[14]。

目前對于脛骨內側開放性高位截骨在是否植骨及多大截骨角度植骨方面眾說紛紜。朱旭等[15]通過研究認為內側撐開截骨角度較大時需行植骨術，如不植骨楔形骨缺損處發(fā)生骨折愈合問題的比例約為1%～7%左右，但其對多大截骨角度需植骨未做進一步說明。國內學者徐亞風等[16]通過對43例KOA患者行內側脛骨開放性高位截骨的植骨和不植骨對比研究發(fā)現二者無統(tǒng)計學差異，且所有患者截骨角度無丟失。Han等[17]從放射學角度研究發(fā)現，植骨組和未植骨組在術后骨延遲愈合、骨不連和矯正角度丟失率方面沒有差異。但以上二位學者的截骨面撐開高度均未超過12 mm。李珂等[18]在研究中對平均截骨面撐開高度為(11.4±3.4)mm的病例均行植骨術，取得良好效果。Aryee等[19]通過研究建議對肥胖者、吸煙者、內側撐開高度超過10 mm者，在截骨間隙需要植骨填補骨缺損。Spahn[20]認為撐開角度超過12°時需要植骨。EI-Assal等[21]則認為當截骨高度>14 mm時進行骨移植或使用人工骨。郇松瑋等[22]研究發(fā)現，對于骨質良好、截骨撐開角度15°以內的患者均不需植骨，術后未發(fā)生內固定失敗、截骨不愈合等并發(fā)癥。李朋斌等[23]通過研究認為，截骨撐開角度<18°情況下均不需植骨，當撐開≥18°則建議植骨，植骨有利于增加截骨術后力學穩(wěn)定性，促進截骨處愈合，防止愈合不良及骨不連。但國外學者Zorzi等[24]研究則發(fā)現脛骨內側開放性高位截骨術是否植骨不影響術后療效。

本實驗研究結果顯示，將脛骨遠端固定，脛骨近端內外側分別加載480 N和720 N的載荷下，當截骨角度在8°，10°和12°時，脛骨近端的總體應力和位移、鋼板的應力和位移都比較接近，差別不大。說明當截骨角度≤12°時，其截骨術后脛骨近端整體和內固定均穩(wěn)定，截骨楔形骨缺損處愈合高，可以早日行功能鍛煉，術后發(fā)生骨延遲愈合或不愈合的概率非常低。當截骨角度超過12°時，截骨角度在14°和16°時，脛骨近端的總體應力和位移、鋼板的應力和位移都隨著截骨角度的增大而增大。說明當截骨角度>12°后，隨著截骨角度的增加，其截骨術后脛骨近端整體和內固定穩(wěn)定性逐漸變差，截骨楔形骨缺損處發(fā)生骨延遲愈合或不愈合的概率逐漸提高，這一結果可以通過植骨來增強其脛骨近端及內固定材料的穩(wěn)定性，來提高其愈合率及早日功能鍛煉，降低手術失敗的風險。國內學者[14]通過研究發(fā)現當撐開角度大于10°，或伴有外側“合頁”處骨折行植骨，術后可以保證骨折愈合，降低矯形角度丟失，早期功能鍛煉。

綜上所述，據本研究發(fā)現，在脛骨內側開放性高位截骨手術時，當截骨角度≤12°時，臨床可以選擇不植骨；當截骨角度>12°，建議臨床植骨以增加其截骨穩(wěn)定性及防止術后截骨角度丟失或術后早期建議制動、延長康復鍛煉開始時間，降低手術失敗風險。

本研究存在一定的不足：①三維有限元技術有較高的準確性，但是它畢竟是通過計算機技術模擬而成的一種相對理想化的模型，沒有把關節(jié)周圍的韌帶、軟組織等包括在內，與日常臨床仍有較大差距；②本研究未設計對照組植骨有限元分析；③截骨角度選擇較少，數據可能存在偏移。因此，本課題還需進一步研究，多增加不同的截骨角度及增加對照組，以求得到更加可靠、全面的結論。