腓骨中上段截骨對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)應(yīng)力改變的研究

趙梁 鄭明 陳蕾 鐘建元 宋衛(wèi) 林建輝

[摘要] 目的 研究腓骨中上段截骨術(shù)對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力影響。方法 對1例因內(nèi)側(cè)間隙狹窄的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的患者行腓骨中上段截骨術(shù)，分別在術(shù)前、術(shù)后1天、術(shù)后半年行患肢膝關(guān)節(jié)CT掃描和雙下肢全長負重位X線檢查，獲得CT數(shù)據(jù)，建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，計算并分析患肢膝關(guān)節(jié)應(yīng)力的變化。結(jié)果 從術(shù)前到術(shù)后半年，患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢，降低約20%，外側(cè)半月板應(yīng)力出現(xiàn)明顯增加趨勢，增幅約55%，術(shù)后半年脛骨平臺內(nèi)側(cè)受力有一定程度的減小。結(jié)論 利用三維有限元計算分析，從理論角度證實腓骨中上段截骨術(shù)在治療內(nèi)側(cè)間室狹窄的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎中，可減輕膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)應(yīng)力。

[關(guān)鍵詞] 腓骨截骨;骨關(guān)節(jié)炎;膝關(guān)節(jié);不均勻沉降;三維有限元

[中圖分類號] R575? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-0742（2019）11（c）-0100-03

[Abstract] Objective To study the effect of fibular osteotomy on knee joint stress in patients with osteoarthritis of the knee. Methods Fibula upper middle section of osteotomy to the inside of the narrow gap of knee osteoarthritis patients. Respectively， at preoperative and postoperative 1 day and six months postoperatively， CT scan and long-leg radiographs， CT data obtained， three-dimensional finite element model of knee is set up， calculation and analysis of the change of the knee joint stress. Results From preoperative to half a year， the medial meniscus of knee joint stress decreasing trend， reducing by about 20%. The stress of the lateral meniscus of increased by about 55%. The pressure of the medial tibial platform is relieved half a year after surgery. Conclusion The three-dimensional finite element analysis proves that the osteotomy of middle and upper fibula can reduce the stress of medial knee joint in the treatment of knee osteoarthritis with medial interventricular stenosis.

[Key words] Tibial osteotomy; Osteoarthritis; Knee joint; Uneven settlement; Three-dimensional finite element

近年來，應(yīng)用腓骨中上段截骨術(shù)治療內(nèi)側(cè)間室狹窄的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎在臨床上逐步開展，許多早期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的患者可通過該術(shù)式得到緩解。該次對1例內(nèi)側(cè)間隙狹窄的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的患者行腓骨中上段截骨術(shù)，分別在術(shù)前、術(shù)后1 d，術(shù)后半年行患肢膝關(guān)節(jié)CT掃描，建立術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，計算并分析患肢膝關(guān)節(jié)應(yīng)力的變化，現(xiàn)報道如下。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

患者1例，男性，77歲，符合以下條件：①膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，癥狀以內(nèi)側(cè)間室為主;②X線表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，全下肢負重位X線可見膝內(nèi)翻畸形;③保守治療無效;④患者接受該治療方案。

1.2? 手術(shù)方法

對該患者行腓骨中上段截骨術(shù)。全麻，仰臥位，患肢驅(qū)血上止血帶，自腓骨頭下方10 cm處向遠端作一長約5 cm縱行切口，經(jīng)腓骨長短肌和比目魚肌間隙入路，顯露腓骨并行骨膜下剝離，用線鋸鋸斷腓骨，切除長約2 cm的腓骨段，用骨蠟封堵斷端髓腔，術(shù)中防止損傷腓淺神經(jīng)和腓血管，縫合切口。手術(shù)時間25 min，出血20 mL。

1.3? 術(shù)后康復(fù)

術(shù)后第2天開始下床活動，術(shù)后2周恢復(fù)正常工作、生活。

2? 膝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立

2.1? 幾何模型三維重建

對該患者分別在術(shù)前、術(shù)后1 d、術(shù)后半年行患肢膝關(guān)節(jié)CT掃描和雙下肢全長負重位X線檢查，獲得CT數(shù)據(jù)。根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)Dicom文件，采用Mimics16.0軟件對其進行數(shù)據(jù)提取，重建出膝關(guān)節(jié)幾何模型，并導(dǎo)出STL格式文件。其次，在Geomagic Studio2014軟件中修補、降噪及曲面化，導(dǎo)出STP格式文件，在Pro/E5.0軟件中組裝模型。再者，將整體處理后的膝關(guān)節(jié)幾何模型導(dǎo)出STEP格式文件。繼而，將STEP文件導(dǎo)入Hypermesh13.0軟件中進行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出BDF格式文件，最后在MSC. Nastran2012軟件中進行有限元仿真模擬和計算分析。

2.2? 材料參數(shù)設(shè)定

參考國內(nèi)外已公開發(fā)表文獻中的研究數(shù)據(jù)[1-3]，膝關(guān)節(jié)骨骼、關(guān)節(jié)軟骨、半月板等組織的材料屬性如下表1所示。因關(guān)節(jié)軟骨、半月板等材料參數(shù)實際較為復(fù)雜，考慮到在日常實際行走、上下樓梯燈活動時一般的負荷頻率大于0.1 Hz，其結(jié)構(gòu)依然處于彈性階段，同時為了便于理論研究的方便性，故將其假定為彈性材料[1-3]。此外，半月板與關(guān)節(jié)軟骨[3-4]之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2[5]，其他結(jié)構(gòu)為共節(jié)點接觸。

2.3? 邊界條件假定

對膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型進行一些邊界約束假定，具體如下。

①固定約束脛骨、腓骨下端（腓骨中上段截骨后，腓骨下端不約束），并限制6個方向的自由度;股骨上端截斷面不約束。

②假定骨骼、軟骨、半月板結(jié)構(gòu)為各向同性、均質(zhì)、連續(xù)的彈性材料。

③將股骨上端所有節(jié)點全部耦合于某個參考點，在此參考點上直接施加力矩30 N·M荷載[6]來模擬屈膝30°運動狀態(tài)，耦合節(jié)點傳力的方法可使荷載傳遞更加均勻、更可靠。

3? 結(jié)果

經(jīng)過有限元對3組膝關(guān)節(jié)在屈膝30°運動狀態(tài)下內(nèi)/外側(cè)半月板、股骨內(nèi)/外髁軟骨、脛骨平臺內(nèi)/外側(cè)軟骨對應(yīng)的Von Mises應(yīng)力峰值提取匯總于表2中，換算出相對術(shù)前的各結(jié)構(gòu)組織應(yīng)力增量百分比來描述，如表3所示。

由上表可知，通過有限元三維仿真模擬，并研究分析了該患者膝關(guān)節(jié)術(shù)前、術(shù)后、術(shù)后半年在屈膝30°運動狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特性，可以發(fā)現(xiàn)，從術(shù)前到術(shù)后半年，內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力開始出現(xiàn)減小趨勢，降低約20%，外側(cè)半月板應(yīng)力則出現(xiàn)明顯增加趨勢，增幅約55%，從股骨內(nèi)/外髁軟骨、脛骨平臺內(nèi)/外側(cè)軟骨也可以發(fā)現(xiàn)，術(shù)后半年內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)的壓力得到緩解，內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)受力有一定程度的減小，降幅在37%～44%之間;外側(cè)結(jié)構(gòu)受力隨之有一定程度的增加，增幅在13%～43%之間。

4? 討論

該患者術(shù)前內(nèi)側(cè)半月板的應(yīng)力峰值要明顯高于外側(cè)半月板，可能是因內(nèi)翻導(dǎo)致內(nèi)側(cè)半月板受壓較為明顯，因此較容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力大于外側(cè)半月板，術(shù)后半年的內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢，外側(cè)半月板應(yīng)力則出現(xiàn)明顯增加趨勢，由此可以說明腓骨中上段截骨后，內(nèi)側(cè)半月板得到一定程度的受力舒緩。

傳統(tǒng)理論認為，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與肥胖、長期負重、慢性勞損、遺傳等因素密切相關(guān)。近年來，張英澤等[7-9]提出的不均勻沉降理論認為在重力的作用下由于腓骨對脛骨平臺外側(cè)的支撐，使相對薄弱的脛骨平臺內(nèi)側(cè)產(chǎn)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻以及膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙變狹窄。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎多發(fā)生于老年人，已發(fā)生骨質(zhì)疏松的脛骨平臺由于不均勻沉降導(dǎo)致內(nèi)側(cè)比外側(cè)更容易發(fā)生微骨折，微骨折的修復(fù)使局部骨質(zhì)增生、硬化，繼而膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙變窄、應(yīng)力增加、軟骨磨損，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和加重。有些病史長、癥狀嚴重的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎的患者可表現(xiàn)為脛骨平臺內(nèi)側(cè)骨質(zhì)密度大，這種改變也符合Wolf定律，即骨的生長、吸收、重建和骨的受力狀態(tài)有關(guān)。這些患者，脛骨平臺的內(nèi)側(cè)承擔(dān)較大的符合，在長期的應(yīng)力作用下，骨骼重塑，內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)增厚，松質(zhì)骨骨小梁增加。所以，不均勻沉降在老年人膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病過程中有著重要的影響。

腓骨位于脛骨外側(cè)，雖不直接參與構(gòu)成膝關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)，但對脛骨起到一定的支撐作用，有承擔(dān)膝關(guān)節(jié)載荷的1/6[10-11]。 腓骨中上段截骨后，比目魚肌和腓骨長肌將腓骨近端向遠端牽拉，使脛骨平臺形成一個以外側(cè)平臺為支點的杠桿結(jié)構(gòu)，外側(cè)平臺產(chǎn)生下沉的趨勢，逐漸改變下肢力線，使膝關(guān)節(jié)負重時的應(yīng)力外移，同時脛骨平臺的外側(cè)失去了腓骨的支撐，也可使下肢負重時載荷外移，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙的應(yīng)力減低。腓骨截骨能重新平衡脛骨平臺內(nèi)外側(cè)的壓力，從而緩解疼痛、改善癥狀，防止膝關(guān)節(jié)進一步損傷。

通過有限元方法對患者膝關(guān)節(jié)進行了定性定量的生物力學(xué)研究，利用力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)工程思想，對膝關(guān)節(jié)在腓骨中上段截骨術(shù)后進行的三維仿真模擬分析，可得出一定的生物力學(xué)結(jié)論，將給臨床手術(shù)研究提供一定的力學(xué)指導(dǎo)作用。有限元方法的介入，從理論角度研究其生物力學(xué)特性，為推動腓骨中上段截骨術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的科研發(fā)展起到較好的理論幫助。

[參考文獻]

[1]? Kang KT， Kwon SK， Son J， et al. Effects of posterior condylar offset and posterior tibial slope on mobile-bearing total knee arthroplasty using computational simulation[J]. Knee，2018 ，25（5）：903-914.

[2]? Babaei B， Velasquez-Mao AJ， Thomopoulos S， et al.Discrete quasi-linear viscoelastic damping analysis of connective tissues， and the biomechanics of stretching[J]. J Mech Behav Biomed Mater，2017（69）：193-202.

[3]? Donzelli， P.， Spilker， R.S.， Ateshian， G.A.，et al.Contact analysis of biphasic transversely isotropic cartilage layers and correlation with tissue failure[J]. Journal of Biomechanics，1999（32）：1037-1047.

[4]? 王俊然. 膝關(guān)節(jié)在屈曲和步態(tài)運動下脛-股關(guān)節(jié)生物力學(xué)的有限元分析[D]. 太原：太原理工大學(xué)， 2018.

[5]? Majd SE， Rizqy AI， Kaper HJ，et al. An in vitro study of cartilage-meniscus tribology to understand the changes caused by a meniscus implant. [J]. Colloids Surf B Biointerfaces，2017（155）：294-303.

[6]? 楊茜. 后交叉韌帶完全斷裂對外側(cè)副韌帶繼發(fā)損傷影響的生物力學(xué)三維有限元分析[D]. 長沙：中南大學(xué)， 2011.

[7]? 魯洋，鄭占樂，呂驥，等.膝內(nèi)翻患者股骨形態(tài)的影像學(xué)測量及臨床意義的初步研究[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2018，39（4）：466-468.

[8] 黃偉，周全，齊克海，等.腓骨近段截骨聯(lián)合關(guān)節(jié)鏡下有限清理術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2018，33（8）：845-847.

[9]? 鐘文龍，郭再冉，王新衛(wèi).腓骨近端截骨術(shù)治療膝骨關(guān)節(jié)炎的研究及應(yīng)用進展[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2017，38（10）：1236-1240.

[10]? 邱華耀，馮宗權(quán)，王衛(wèi)剛.脛骨高位截骨術(shù)與腓骨截骨術(shù)治療膝骨關(guān)節(jié)炎臨床療效比較[J].中華關(guān)節(jié)外科雜志：電子版，2018，12（5）：676-680.

[11]? 任昆明，張培良.腓骨高位截骨在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的應(yīng)用[J].中國骨傷，2017，30（8）：759-762.

（收稿日期：2019-08-26）