有限元分析技術(shù)在內(nèi)側(cè)開放性楔形脛骨高位截骨術(shù)研究中的應(yīng)用進展

李清瀚，王大麟 (北華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，吉林 吉林 132000)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，骨科學(xué)在不斷產(chǎn)生新的科研理念，數(shù)字化有限元分析技術(shù)因其精準(zhǔn)性、高效性和低成本性得到了廣泛推廣。本文就有限元分析技術(shù)在開放楔形脛骨高位截骨術(shù)研究中的應(yīng)用與發(fā)展做一綜述，并提出現(xiàn)階段可能存在的問題及對未來發(fā)展方向的展望。

1 開放楔形脛骨高位截骨術(shù)

近年國內(nèi)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎“階梯治療”理念深入人心，脛骨高位截骨術(shù)(HTO)已成為保膝性手術(shù)治療的常用術(shù)式。HTO屬于膝關(guān)節(jié)周圍截骨術(shù)的一種，該術(shù)式通過糾正下肢力線，改變脛骨平臺負重，降低內(nèi)側(cè)間室的壓力，減緩骨性關(guān)節(jié)炎的進展，是治療伴有膝內(nèi)翻的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎保膝性手術(shù)的首選術(shù)式[1]。HTO根據(jù)截骨后截骨平面是否接觸，分為內(nèi)側(cè)開放性楔形 HTO(OWHTO)與外側(cè)閉合性楔形 HTO(CWHTO)。自HTO被報道[2]始，長期以來CWHTO都作為首選方案，因為該種方案能夠提供較高的穩(wěn)定性。但隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展，特別是強生公司發(fā)明了專門用于膝關(guān)節(jié)周圍截骨的TomoFix系列產(chǎn)品后，聯(lián)合該系列產(chǎn)品的OWHTO開始逐步流行起來[3]。與傳統(tǒng)的CWHTO相比，聯(lián)合了TomoFix鎖定內(nèi)固定系統(tǒng)的OWHTO有更好的穩(wěn)定性，且避免了腓總神經(jīng)的癥狀，同時提供了更精確的矯正效果和更早的康復(fù)鍛煉時間，可以最大限度地保留患者膝關(guān)節(jié)的運動功能[4]。

王興山等[5]總結(jié)了國內(nèi)常用的OWHTO手術(shù)方案，即采用單平面內(nèi)側(cè)開口楔形截骨術(shù)，由鵝足止點向上脛腓聯(lián)合置入 2 枚剛好穿過外側(cè)皮質(zhì)的克氏針，第一枚克氏針靠近脛骨后方，同一高度、距 2 cm 處置入第二枚克氏針，第一截骨面起自脛骨后緣至脛骨中前1/3，緊貼鵝足止點近端始，沿克氏針方向于克氏針遠端截骨，保留1 cm左右的外側(cè)皮質(zhì)，第二截骨面起自脛骨結(jié)節(jié)后方至脛骨中前1/3，與脛骨嵴平行并與第一截骨平面呈 110° 左右夾角，用擺鋸和截骨刀制造截骨楔，并置入內(nèi)固定鋼板，其間根據(jù)術(shù)中具體情況決定是否在撐開處植骨。OWHTO不僅為第四階段的TKA保留了骨量，也能為患者最大限度地保留運動能力。

2 膝關(guān)節(jié)應(yīng)用有限元分析技術(shù)的歷史

有限元分析法最初是在二十世紀(jì)五十年代作為處理固體力學(xué)問題的方法出現(xiàn)的，是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展的一種現(xiàn)代數(shù)值計算分析方法。Brekelma等[6]于1978年首次提出通過有限元分析技術(shù)研究骨骼的機械學(xué)行為，對于膝關(guān)節(jié)的有限元分析，Bendjaballah等[7]以CT影像為模版，首次完成了對膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建，Pea等[8]以CT影像和MRI影像為模板，完善了膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建，這種模型很好地構(gòu)建了韌帶等軟組織。膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立包括：采集原始圖像；優(yōu)化模型；賦予目的特征；劃分有限元網(wǎng)格；設(shè)定屬性及參數(shù)；確定邊界條件；進行有限元分析和求解。CT對骨組織的分辨率較高，而MRI對半月板、軟骨、韌帶等組織有較高的分辨率，兩種成像方式對于膝關(guān)節(jié)成像的敏感性互補，為提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，目前多采取CT及MRI聯(lián)合進行圖像采集。通過圖像處理軟件(Mimics等)，將采集的原始圖像數(shù)據(jù)(DICOM格式)進行初步骨骼模型的重建，并通過逆向工程軟件(Geomagic等)對模型的多余特征進行處理，并優(yōu)化、光滑模型。通過計算機輔助設(shè)計(CAD)三維軟件(Solidwork等)，對模型進行目的特征賦予，如骨骼與內(nèi)固定、假體之間的裝配，對骨折線、畸形的模擬等。CAD三維軟件同樣可以完成有限元網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的細化程度直接影響到計算精度和計算規(guī)模。材料屬性和參數(shù)的設(shè)置，同樣在CAD三維軟件中完成。綜合文獻，將有限元模型的材料參數(shù)匯于表1，一般設(shè)定骨性結(jié)構(gòu)為剛體，設(shè)定半月板為橫向同性材料，設(shè)定關(guān)節(jié)軟骨為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性單相線彈性材料，設(shè)定韌帶結(jié)構(gòu)為超彈性、各向同性材料[9-11]。準(zhǔn)確的有限元分析需要在建模中賦予適宜的邊界條件，如王光達等[12]研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)的運動共有 6 個自由度控制，不同的膝關(guān)節(jié)有限元分析，模擬的條件不同，邊界設(shè)定的條件也不同。見表1。

表1 膝關(guān)節(jié)有限元模型的材料參數(shù)

3 HTO應(yīng)用有限元分析技術(shù)的案例

近年，有限元分析在HTO領(lǐng)域應(yīng)用的主要方向是對新型術(shù)式的探討和對并發(fā)癥預(yù)防新理念的研究。Diffo與Bostr?m等[13-14]的研究都通過有限元的方法探討了一項防治鉸鏈骨折并發(fā)癥的新技術(shù)——頂端鉆孔技術(shù)。頂端鉆孔技術(shù)是已被證實的可以降低LHF發(fā)生的方法之一，2002年，Kessler等[15]首次在OW-HTO截骨楔的頂端額外制造了一個前后貫通脛骨的鉆孔，通過分散鉸鏈周圍應(yīng)力防止鉸鏈皮質(zhì)的骨折，這一技術(shù)稱為鉸鏈頂端鉆孔(Apical Drill Hole)技術(shù)。 Diffo等[13]的研究驗證了這一說法，其研究通過有限元分析法證明了截骨頂端鉆孔減少了外側(cè)皮質(zhì)的應(yīng)力，這使鉸鏈骨折發(fā)生的幾率下降，也增加了校正角度較小的標(biāo)本在外側(cè)皮質(zhì)破裂之前的臨界打開角度。該試驗設(shè)計了三組年齡(平均年齡、低齡、老齡)的骨皮質(zhì)模型參數(shù)，結(jié)果示頂端鉆孔在老齡組的應(yīng)力改變不大，是否進行頂端鉆孔鉸鏈應(yīng)力改變差別不大。其研究還對比兩種不同鉆孔設(shè)計的效果，其中一種鉆孔設(shè)計在了截骨線的延伸線上，另一種位于截骨線的上方，通過對比二者的作用效果，得出設(shè)計沿截骨線鉆孔可以達到更好的分散負載效果。鉆孔的最佳直徑同樣是其研究的熱點之一，Bostr?m等[14]通過有限元法，對比了不同直徑鉆孔分散應(yīng)力的情況，其研究表明，當(dāng)鉸鏈大小固定，對比直徑為2 mm、4 mm和6 mm的鉆孔，4 mm組分散鉸鏈周圍應(yīng)力的效果最佳，且在大小為10 mm的鉸鏈頂端做一直徑為4 mm的鉆孔，可以最大限度地分散水平和垂直方向的應(yīng)力，降低LHF發(fā)生的風(fēng)險。Kessler等[15]研究認(rèn)為，直徑為5 mm的頂端鉆孔是匹配寬度為10 mm的鉸鏈可以達到最佳的分散應(yīng)力效果。但在制造5 mm鉆孔的同時，如何保持大小為10 mm外側(cè)鉸鏈的完整性是困難的，因為該試驗無法模擬骨皮質(zhì)斷裂的情況[16-19]。該試驗同時表明，頂端鉆孔具有一定意義，但不是決定性因素，在撐開截骨間隙較大的情況下，鉆孔可能會導(dǎo)致鉸鏈的斷裂。

Yang等[11]應(yīng)用有限元分析技術(shù)驗證了對置拉力螺釘理念的有效性。對置拉力螺釘技術(shù)是Paccola和Fogagnolo[17]提出的一種手術(shù)理念，作為已鉸鏈骨折的OWHTO的補救方法[20-22]。該手術(shù)從外側(cè)皮質(zhì)向內(nèi)側(cè)鋼板插入補充經(jīng)皮拉力螺釘，在完成OWHTO后，透視下在靠近截骨頂點的部位經(jīng)皮質(zhì)插入一枚半螺紋松質(zhì)骨拉力螺釘，螺釘從靠近外側(cè)皮質(zhì)的截骨頂點開始，通向脛骨內(nèi)側(cè)平臺的邊緣。Yang等[11]通過設(shè)計一向有限元試驗，對比了皮質(zhì)螺釘和松質(zhì)螺釘作為拉力螺釘?shù)男Чζべ|(zhì)螺釘?shù)淖罴验L度進行了探討。該試驗設(shè)計了長度為6.5 mm的松質(zhì)骨螺釘、6.5 mm的皮質(zhì)骨螺釘和8.0 mm的皮質(zhì)骨螺釘，試驗結(jié)果顯示，拉力螺釘可以更有效降低脛骨平臺后外側(cè)的負重，降低截骨后脛骨復(fù)位缺失的概率，而拉力螺釘增加了鋼板鎖定螺釘?shù)膽?yīng)力，截骨平片以上的鎖定螺釘應(yīng)力增加尤為顯著，且拉力螺釘經(jīng)過預(yù)張拉力處理后可以更有利于避免HTO后內(nèi)側(cè)復(fù)位的丟失[23-24]。通過橫向鉸鏈骨折模型的生物力學(xué)試驗進一步驗證，與未修復(fù)橫向鉸鏈骨折的HTO模型相比，插入拉力落定的模型結(jié)構(gòu)剛度有顯著改善，這些拉力螺釘不但可以很容易地恢復(fù)外側(cè)皮質(zhì)的連續(xù)性，而且在截骨術(shù)內(nèi)固定后骨橋完整的情況下，能夠防止?jié)撛诘耐鈧?cè)皮質(zhì)鉸鏈的斷裂[25]。

4 總結(jié)與展望

有限元分析技術(shù)因其可以施加不同的負荷、材料屬性、邊界條件，對應(yīng)力、應(yīng)變、剛度、位移情況等進行分析,解決了傳統(tǒng)的骨科力學(xué)研究的有創(chuàng)性、環(huán)境影響很大、費用高、耗時長的問題，成為重要的科研工具。在OWHTO的研究中，有限元分析技術(shù)可以對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的“階梯治療”提供力學(xué)分布的分析，可以對遠期關(guān)節(jié)病變的進展做出預(yù)測，對膝關(guān)節(jié)內(nèi)部應(yīng)力的影響進行分析應(yīng)是未來膝關(guān)節(jié)周圍截骨術(shù)的研究方向。同時要與臨床試驗、傳統(tǒng)生物力學(xué)試驗及動物試驗相結(jié)合，將更多的研究成果有效地應(yīng)用于臨床實踐。