不同截骨角度下脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨未植骨和植骨的有限元分析研究

程邦君 黃燕峰 羅軼

隨著國內(nèi)老齡化的不斷進展，膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率正逐年攀升。微創(chuàng)脛骨高位截骨術(shù) （ high tibial osteotomy，HTO ） 以其創(chuàng)傷小、費用低、術(shù)者學習曲線短及術(shù)后并發(fā)癥較少等優(yōu)點，成為當前“保膝”的首選手術(shù)方式，尤其適用于內(nèi)翻畸形伴內(nèi)側(cè)間室性膝骨關(guān)節(jié)炎的“年輕”患者 （ ＜ 65 歲 ）。而對于脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨在不同截骨角度下楔形截骨處是否植骨及截骨角度超過多少需植骨，目前仍有爭論[1-4]。本研究通過計算機三維有限元技術(shù)來分析研究脛骨內(nèi)側(cè)不同截骨角度下楔形截骨處未植骨和植骨的生物力學特性。

資料與方法

一、材料及軟件

選擇 10 例截骨角度分別在 8°、10°、12°、14°和 16° 的內(nèi)側(cè)間室性膝骨關(guān)節(jié)炎、半月板及韌帶無損傷的病例，分別行脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨術(shù)，其中 5 例楔形截骨處未植骨，另外 5 例楔形截骨處行植骨 （ 取自體髂骨植骨 ）。提取術(shù)后 CT 超薄層平掃資料；選擇 1 例健康成人膝關(guān)節(jié) CT 影像數(shù)據(jù) （ 層厚 0.625 mm ），均保存為 Dicom 格式數(shù)據(jù)；選用 Mimics 19.0、Geomagic 2013、Hypermesh 14.0、Solidworks 2014 等軟件進行數(shù)據(jù)分析。

二、脛骨近端和內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型的建立

將 Dicom 格式數(shù)據(jù)導入 Mimics 19.0 軟件，通過灰度值調(diào)整、多層編輯、區(qū)域增長等命令使二維CT 圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)化曲面，構(gòu)建出 Nurbs 曲面，最后整體導出 IGES 格式，在 Solidworks 中根據(jù)接骨板實際幾何尺寸進行接骨板和螺釘?shù)慕?，建立好的模型?IGES 格式導出。將脛骨近端和內(nèi)固定系統(tǒng) IGES 文件導入 3-matic 11.0 中進行位置裝配，調(diào)整內(nèi)固定至合適位置，然后一起導入到Hypermesh 14.0 中進行有限元網(wǎng)格處理，骨和內(nèi)固定的網(wǎng)格密度都設(shè)置為 1 mm，然后利用 Tetramesh功能進行三維網(wǎng)格建立，構(gòu)建出線性四面體網(wǎng)格。所有模型以 inp 格式導入 Abaqus 6.13 中進行仿真分析 （ 圖 1 ）。

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(wǎng)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(wǎng)格劃分后導入 Abaqus 軟件進行邊界條件設(shè)置和計算；h：計算結(jié)果Fig.1 a: The tibia model was established in mimics and exported in STL format; b: STL tibia model was imported into Geomagic software for NURBS curved surface, and exported in ΙGES format; c: ΙGES files were imported into HyperMesh software for mesh generation and osteotomy; d:Different osteotomy angles were established; e: Three dimensional models of steel plate and screw were established in SolidWorks; f: The fracture and plate models were imported into 3-matic software for assembly; g: The 3D mesh of the assembled model was imported into ABAQUS software to set and calculate the boundary conditions; h: Results of calculation

三、建立 5 個角度的接骨板內(nèi)固定模型

將脛骨三維模型按不同截骨角度進行切割構(gòu)建不同截骨角度的高位截骨模型，在脛骨平臺關(guān)節(jié)面下 2 cm、脛骨結(jié)節(jié)上方 1 cm 處水平截骨，保留外側(cè)骨皮質(zhì) 1 cm，保留脛骨結(jié)節(jié)，構(gòu)建不同截骨角度的脛骨近端接骨板固定模型。脛骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，所有骨假設(shè)為各向同性、線彈性材料，皮質(zhì)骨彈性模量 17 GPa，彈性模量 0.33，松質(zhì)骨彈性模量 5 GPa，彈性模量 0.33。楔形截骨處所植骨設(shè)置為松質(zhì)骨，其彈性模量 5 GPa，彈性模量 0.33。接骨板及螺釘材料屬性設(shè)置為鈦合金，彈性模量設(shè)置為110 GPa，泊松比為 0.3。接骨板固定截骨內(nèi)側(cè)開放性楔形高位截骨有限元模型。

四、設(shè)置載荷加載

將脛骨遠端固定，脛骨近端內(nèi)外側(cè)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(guān)節(jié)承受的壓應力 （ 體重 60 kg ）[5]。載荷施加方向同脛骨力學軸方向一致。

結(jié) 果

將脛骨遠端固定，脛骨近端內(nèi)外側(cè)分別加載480 N 和 720 N 的載荷。當截骨角度為 8° 時。楔形截骨處未植骨時：脛骨近端總體應力為 402.2 Mpa，總體位移為 0.916 mm；接骨板總體應力為 402.2 Mpa，總體位移為 0.718 mm。當楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力為 401.2 Mpa，總體位移為 0.908 mm；接骨板總體應力為 401.2 Mpa，總體位移為 0.714 mm。當截骨角度為 10° 時。楔形截骨處未植骨時：脛骨近端總體應力為 405.6 Mpa，總體位移為 0.92 mm；接骨板總體應力為 405.6 Mpa，總體位移為 0.722 mm。當楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力為 403.8 Mpa，總體位移為 0.910 mm；接骨板總體應力為 403.8 Mpa，總體位移為 0.711 mm。當截骨角度為 12° 時。楔形截骨處未植骨時：脛骨近端總體應力為 390.2 Mpa，總體位移為 0.911 mm；接骨板總體應力為 309.2 Mpa，總體位移為 0.718 mm。當楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力為 395.1 Mpa，總體位移為 0.905 mm；接骨板總體應力為 395.1 Mpa，總體位移為 0.713 mm。當截骨角度為 14° 時。楔形截骨處未植骨時：脛骨近端總體應力為 506.7 Mpa，總體位移為 1.170 mm；接骨板總體應力為 506.7 Mpa，總體位移為 0.894 mm。當楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力為 403.2 Mpa，總體位移為 0.913 mm；接骨板總體應力為 403.2 Mpa，總體位移為 0.709 mm。當截骨角度為 16° 時。楔形截骨處未植骨時：脛骨近端總體應力為 516.7 Mpa，總體位移為 1.204 mm；接骨板總體應力為 516.7 Mpa，總體位移為 0.906 mm。當楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力為 397.5 Mpa，總體位移為 0.933 mm；接骨板總體應力為 397.5 Mpa，總體位移為 0.727 mm（ 表 1、2，圖 2、3 ）。

表1 楔形截骨處未植骨時，不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移數(shù)據(jù)表Tab.1 Data table of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate under different osteotomy angles without bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

表2 楔形截骨處植骨后，不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移數(shù)據(jù)表Tab.2 Data table of overall stress and displacement of the proximal tibia and bone plate under different osteotomy angles after bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

圖2 楔形截骨處未植骨時，不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移圖示Fig.2 Diagram of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate under different osteotomy angles when two types of internal fixation were used for the treatment of a wedge-shaped osteotomy of the lower tibia without bone grafting

圖3 楔形截骨處植骨后，不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應力和位移圖示Fig.3 Diagram of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate at different osteotomy angles after bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

討 論

近幾十年來，在國內(nèi)外“保膝”思想的影響下，同時由于新型內(nèi)固定材料的不斷研發(fā)和手術(shù)技術(shù)的不斷提高，膝骨關(guān)節(jié)炎的治療方法取得迅猛的發(fā)展[6]。目前，脛骨內(nèi)側(cè)開放性楔形高位截骨術(shù)已成為治療“年輕”的 （ ＜ 65 歲 ）、伴有內(nèi)翻畸形的、內(nèi)側(cè)間室的、不合并半月板及韌帶損傷的骨關(guān)節(jié)炎首選方法。脛骨內(nèi)側(cè)開放性楔形高位截骨由于內(nèi)側(cè)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，有報道其發(fā)生不愈合率在 0%～35% 之間[7]。脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨在是否植骨及多大截骨角度下需植骨方面國內(nèi)外眾說紛紜[2-3,8]。王興山等[9]認為當截骨角度 ＞ 13 mm 時需進行植骨；而后他又在另一篇文章中提到在外側(cè)合頁保持完整、截骨面接觸良好的情況下，對于不超過 2 cm 的間隙植骨并非必要[10]。李珂等[11]對其研究中截骨面撐開高度為（ 11.4±3.4 ） mm，均行植骨治療，術(shù)后愈合良好。徐亞風等[12]通過其研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)脛骨高位截骨后未植骨，術(shù)后半年截骨處已完全愈合。Aryee 等[13]認為撐開高度超過 10 mm 需要植骨。Spahn[14]認為撐開角度超過 12° 時需要植骨。EI-Assal 等[15]則認為當截骨高度 ＞ 14 mm 時進行骨移植或使用人工骨。Akiyama 等[3]研究發(fā)現(xiàn)脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨是否植骨不影響術(shù)后效果。

本實驗研究結(jié)果顯示，當截骨角度在 8°、10°和 12° 時，楔形截骨處在未植骨和植骨情況下，脛骨近端總體應力和位移及接骨板應力和位移都比較接近，差別不大。說明當截骨角度 ≤ 12° 時，脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨術(shù)后脛骨近端整體和內(nèi)固定均穩(wěn)定，截骨楔形骨缺損處愈合率高，術(shù)后可以早日行功能鍛煉，其發(fā)生不愈合的概率非常小。當截骨角度超過 12° 時，截骨角度在 14° 和 16° 時，在楔形截骨處未植骨時，脛骨近端總體應力和位移及接骨板應力和位移都隨著截骨角度的增大而增大；而在楔形截骨處植骨后，脛骨近端總體應力和位移及接骨板應力和位移與截骨角度 ≤ 12° 時相差甚微。說明當截骨角度 ＞ 12° 后，通過在楔形截骨處植骨可以提高脛骨近端整體和內(nèi)固定穩(wěn)定性，降低截骨楔形骨缺損處不愈合的發(fā)生概率，提高手術(shù)成功率，降低手術(shù)失敗的風險。

雖然三維有限元技術(shù)通過計算機技術(shù)模擬臨床手術(shù)技術(shù)，有較高的準確性，但它畢竟是通過計算機技術(shù)模擬而成的一種相對理想化的模型，沒有把關(guān)節(jié)周圍的韌帶、軟組織等包括在內(nèi)，與日常臨床手術(shù)操作仍有較大差距。同時，本研究納入的樣本量較少，沒有考慮置釘順序、置釘深度等相關(guān)因素。因此，本課題還需進一步研究，以求得到更加可靠、全面的結(jié)論。

綜上所述，在脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨手術(shù)時，當截骨角度 ≤ 12° 時，臨床可以不植骨，術(shù)后患肢可以早日行功能鍛煉；當截骨角度 ＞ 12°，建議楔形截骨處行植骨以增強脛骨近端穩(wěn)定性，降低手術(shù)失敗風險。