腓骨高位截骨術(shù)對脛骨平臺的生物力學(xué)分析

莫詒向，鄧羽平，黃文華，3，歐陽漢斌

1.南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，廣東廣州510515；2.廣東省醫(yī)學(xué)3D 打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510515；3.廣東醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖教研室，廣東湛江524023；4.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科中心，廣東湛江524000

前言

膝關(guān)節(jié)炎是老年人群中常見的致殘?jiān)?，?huì)導(dǎo)致患者疼痛和活動(dòng)受限，目前常用的手術(shù)方法主要包括全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)和脛骨高位截骨術(shù)等。然而，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本較高，并且在第一次手術(shù)后仍有3.4%的翻修幾率［1-2］。盡管如今脛骨高位截骨術(shù)為膝內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎的常用手術(shù)方法，但是其仍存在骨折不愈合、內(nèi)固定失效和感染等問題，且對手術(shù)技術(shù)及內(nèi)固定方式的選用等有較高的要求［3-6］。張英澤等［7］根據(jù)“不均勻沉降理論”提出用腓骨高位截骨術(shù)作為治療膝關(guān)節(jié)炎合并內(nèi)翻畸形的新術(shù)式，對于緩解病人疼痛及改善活動(dòng)功能等方面具有良好療效。該術(shù)式有著相對簡單、安全的優(yōu)點(diǎn)，并且其經(jīng)濟(jì)成本在大多數(shù)病人的承受范圍內(nèi)。但是對于其適應(yīng)癥，特別是內(nèi)翻角度，以及長期療效等方面仍需要進(jìn)一步的探討，特別是缺乏生物力學(xué)方面的支持。本研究通過生物力學(xué)的方法，根據(jù)健康志愿者的CT數(shù)據(jù)來建立膝關(guān)節(jié)模型，進(jìn)行相應(yīng)的模擬力學(xué)分析，得出脛骨平臺上不同截面的應(yīng)力變化情況，為腓骨高位截骨術(shù)在伴有內(nèi)翻畸形的膝關(guān)節(jié)炎中的臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)數(shù)據(jù)作為參考。

1 材料和方法

1.1 健康志愿者模型的獲取

收集一位健康志愿者的CT數(shù)據(jù)，利用Mimics提取其部分膝關(guān)節(jié)模型，只包括近端脛骨、腓骨及其脛骨平臺上的關(guān)節(jié)軟骨，不包括半月板等軟組織［8］；在Geomagic Studio 2013 中對其分別進(jìn)行光順、精確曲面和實(shí)體化等操作，得到stp 格式文件，并導(dǎo)入Abaqus6.13。為使三維模型更加符合骨頭的實(shí)際屬性，利用Mimics 提供的經(jīng)驗(yàn)公式對三維模型進(jìn)行灰度賦值［9］。

其中，Density 是表觀密度，用于描述骨頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特性；E-Modulus 是彈性模量，用于描述骨頭的彈性性質(zhì)。此外，泊松比固定為0.3［10］。

1.2 腓骨高位截骨術(shù)前模型的建立

基于脛骨平臺的解剖學(xué)特點(diǎn)，根據(jù)軟骨的分布范圍選擇適當(dāng)大小的表面網(wǎng)格，使用ABAQUS 工具欄中的mesh 功能對其進(jìn)行拉伸，得到厚度為1.5 mm的軟骨層［11］。其材料屬性賦值為：E=5 MPa，泊松比=0.46［12］。在Assembly 模塊下對脛腓骨模型及脛骨平臺上的軟骨進(jìn)行裝配，即完成部分膝關(guān)節(jié)模型的建模。

1.3 腓骨高位截骨術(shù)前模型的數(shù)據(jù)加載

考慮到人體本身載荷以及膝關(guān)節(jié)處韌帶的作用力，在直立位無負(fù)重狀態(tài)下，確定施加在脛骨平臺上的總載荷大小為1 500 N［8］。在本研究中，假設(shè)腓骨高位截骨前后膝關(guān)節(jié)的載荷情況與生理情況一致，那么脛骨平臺內(nèi)側(cè)將承受總載荷的60%，外側(cè)為40%［13-14］。載荷施加于脛骨平臺的軟骨表面上，方向與力線方向保持一致。根據(jù)實(shí)際情況中脛腓骨相對不動(dòng)的狀態(tài)，限定脛骨及腓骨最下端6個(gè)方向的自由度，使其活動(dòng)度為0。此外，于脛骨與腓骨小頭接觸處添加tie約束，保持其相對位置不變。提交任務(wù)，即可進(jìn)行有限元分析。

1.4 腓骨高位截骨術(shù)后三維有限元模型建模

于腓骨下端處切除2 cm 左右的骨質(zhì)，模擬腓骨高位截骨手術(shù)過程［15］。由于進(jìn)行了截骨，腓骨下端相對不動(dòng)狀態(tài)被打破，于是解除腓骨下端6個(gè)方向自由度的限制，讓其能自由活動(dòng)。其余步驟和數(shù)據(jù)保持與術(shù)前的不變，完成腓骨高位截骨術(shù)后三維有限元模型的建模。腓骨高位截骨術(shù)模型的賦值過程以及施加在模型上的條件如圖1所示。

圖1 腓骨高位截骨術(shù)模型的賦值過程以及施加在模型上的條件Fig.1 Assignments of the proximal fibular osteotomy model and the conditions imposed on the model

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 18.0 軟件對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用配對樣本T檢驗(yàn)的方法進(jìn)行計(jì)量資料的組間比較，以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 術(shù)前部分膝關(guān)節(jié)模型矢狀位剖視圖

如圖2所示，本研究的結(jié)果與Papaioannou等［16］的研究結(jié)果相比無明顯差異?？梢哉J(rèn)為本研究的有限元模型符合人體膝關(guān)節(jié)正常參數(shù)，能夠有效模擬膝關(guān)節(jié)在切除腓骨前后的應(yīng)力變化情況，可用于下一步試驗(yàn)。

圖2 兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的米塞斯應(yīng)力分布圖Fig.2 Von Mises distributions in two experiments

于Abaqus 的后處理中，在術(shù)前脛骨平臺內(nèi)外側(cè)各截取6個(gè)矢狀位的米塞斯應(yīng)力剖視圖（分為外、中、內(nèi)3個(gè)面，每個(gè)面截取兩張典型的應(yīng)力圖），如圖3a所示；并記錄各個(gè)矢狀截面于脛骨平臺處的最大值，繪制成柱狀圖，如圖3b所示。由圖中可以明顯看到，正常情況下，脛骨平臺內(nèi)側(cè)所受到的應(yīng)力值要大于外側(cè)所受到的應(yīng)力值。

2.2 術(shù)后部分膝關(guān)節(jié)模型矢狀位剖視圖

于Abaqus的后處理中，在術(shù)后脛骨平臺內(nèi)外側(cè)各截取6個(gè)矢狀位的米塞斯應(yīng)力剖視圖（分為外、中、內(nèi)3個(gè)面，每個(gè)面截取兩張典型的應(yīng)力圖），如圖4a所示；并記錄各個(gè)矢狀截面于脛骨平臺處的最大值，繪制成柱狀圖，如圖4b所示。由圖可以看出，在腓骨高位截骨后，脛骨平臺內(nèi)側(cè)的所受到的應(yīng)力值會(huì)減少，而外側(cè)所受到的應(yīng)力值會(huì)增加，兩者的應(yīng)力值的差異有所縮小。

2.3 脛骨平臺上不同截面的點(diǎn)集合的應(yīng)力值比較

按照上述剖視圖的選取方式，在相應(yīng)截面上選取一定數(shù)量的點(diǎn)構(gòu)成集合，如圖5所示。術(shù)前脛骨平臺外側(cè)外部為5A，中部為5B，內(nèi)部為5C；脛骨平臺內(nèi)側(cè)外部為5D，中部為5E，內(nèi)部為5F。術(shù)后也選取同樣的點(diǎn)集合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別記為5a、5b、5c、5d、5e、5f。分析比較腓骨高位截骨前后不同位置上平均應(yīng)力的變化情況，如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，腓骨高位截骨手術(shù)前后脛骨平臺外側(cè)外部的應(yīng)力值比較無明顯差異（P=0.940），而外側(cè)中部和內(nèi)部的應(yīng)力值比較均有顯著差異（P＜0.01），術(shù)前應(yīng)力值顯著低于術(shù)后應(yīng)力值。在脛骨平臺內(nèi)側(cè)外部應(yīng)力值比較顯著差異（P＜0.05），術(shù)前應(yīng)力值顯著高于術(shù)后應(yīng)力值；內(nèi)側(cè)內(nèi)部應(yīng)力值比較亦有顯著差異（P＜0.05），但是術(shù)后的應(yīng)力平均值大于術(shù)前應(yīng)力平均值，表明術(shù)后應(yīng)力值顯著高于術(shù)前應(yīng)力值，而內(nèi)側(cè)中部應(yīng)力值比較無顯著差異（P=0.323）。

圖3 術(shù)前脛骨平臺內(nèi)外側(cè)多截面剖視圖Fig.3 Multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau before the operation

圖4 術(shù)后脛骨平臺內(nèi)外側(cè)多截面剖視圖Fig.4 Multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau after the operation

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)腓骨高位截骨術(shù)式前后脛骨平臺上應(yīng)力有著顯著的變化。術(shù)前正常情況下，脛骨平臺內(nèi)側(cè)所受載荷大于外側(cè)，其內(nèi)側(cè)應(yīng)力值亦大于外側(cè)應(yīng)力值，其中可能的原因是外側(cè)的腓骨具有較高的骨密度而脛骨平臺主要由松質(zhì)骨組成，因此腓骨能對脛骨平臺外側(cè)起到一定的支持作用，內(nèi)側(cè)則因?yàn)槿鄙僦味艿捷^大載荷。這種脛骨平臺內(nèi)外側(cè)受力不均現(xiàn)象可能是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)炎繼發(fā)內(nèi)翻畸形的重要因素［15,17］。模擬腓骨高位截骨術(shù)后，比較術(shù)前術(shù)后脛骨平臺上應(yīng)力的變化情況可以看出，術(shù)后內(nèi)側(cè)脛骨平臺的應(yīng)力值減小，而外側(cè)脛骨平臺的應(yīng)力值增加，并且這種變化具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），表明腓骨高位截骨的確有助于減輕脛骨平臺內(nèi)側(cè)的壓力，理論上有利于緩解膝關(guān)節(jié)炎的癥狀和改善膝關(guān)節(jié)處的活動(dòng)狀況和功能，與臨床病例的手術(shù)結(jié)果一致［18-20］。此外，對術(shù)后脛骨平臺內(nèi)側(cè)3 個(gè)部位上隨機(jī)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，其外部的應(yīng)力值低于術(shù)前的應(yīng)力值（P＜0.01），中部的應(yīng)力值無明顯差異（P＞0.05），而內(nèi)部的應(yīng)力值高于術(shù)前的應(yīng)力值（P＜0.01），這說明脛骨平臺上的應(yīng)力在腓骨高位截骨后有向平臺中間偏移的趨勢，內(nèi)外側(cè)應(yīng)力趨于平衡?；谏鲜鼋Y(jié)果我們可以推測：該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象對于患者的長期預(yù)后可能會(huì)造成不良影響。然而，在實(shí)際體內(nèi)人體環(huán)境中，患者術(shù)后康復(fù)情況很大程度上受到患者身體健康狀況、骨質(zhì)條件以及手術(shù)醫(yī)師水平等因素的影響，更具有信服力的結(jié)論仍需臨床數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。

圖5 術(shù)前脛骨平臺內(nèi)外側(cè)多截面的點(diǎn)集合Fig.5 Dot sets of multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau before the operation

本研究構(gòu)建的部分膝關(guān)節(jié)模型囊括了脛骨平臺上的軟骨，但是不包括半月板和韌帶，主要的原因有：（1）半月板在人體內(nèi)主要起到承擔(dān)載荷、傳遞應(yīng)力的作用，但是可以用直接添加載荷的方式予以替代；（2）據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，添加了軟骨的骨頭比單純的骨頭模型對于膝關(guān)節(jié)內(nèi)載荷的傳遞具有更精確的模擬效果［11］；（3）簡化了韌帶、半月板與脛骨平臺的連接，采用直接施加相應(yīng)載荷的方式，從結(jié)果上與帶有韌帶和半月板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致，但大大節(jié)省了計(jì)算成本，提高了分析效率。

表1 術(shù)前術(shù)后不同位置的米塞斯應(yīng)力值Tab.1 Von Mises values of different positions before and after operation

Zhang［15］提出的腓骨高位截骨除了緩解脛骨平臺內(nèi)側(cè)壓力之外，還應(yīng)具有改善下肢力線情況以及使內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙增寬的作用。已有文獻(xiàn)報(bào)道腓骨高位截骨無助于患者下肢力線的糾正［19］。而對于內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙增寬這一現(xiàn)象，需要進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。盡管本研究努力使建立的模型符合實(shí)際情況，也與部分研究結(jié)果對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，但是缺乏了股骨對脛骨、髕骨對膝關(guān)節(jié)模型等的影響，并且采用的是正常人體模型而不是膝內(nèi)翻患者的模型，仍會(huì)對實(shí)驗(yàn)的精確性造成一定的影響。因此在下一步的研究中，將對這些問題進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以期能得到更有說服力的結(jié)果。

綜上所述，腓骨高位截骨對于伴有膝內(nèi)翻的膝關(guān)節(jié)炎在緩解疼痛、改善關(guān)節(jié)功能等方面具有良好的治療效果。但是由于術(shù)后應(yīng)力集中于脛骨平臺中間處后部，對于其術(shù)式的適應(yīng)癥、長期療效等仍需要長期觀察。