Ilizarov脛骨橫向搬移術(shù)4種截骨方式的有限元分析

【摘要】 目的 基于脛腓骨CT建立Ilizarov脛骨橫向搬移術(shù)（TTT）三維有限元模型，研究不同術(shù)式的生物力學(xué)特征。

方法 通過有限元建立TTT不同骨瓣形態(tài)和位置的模型。選擇脛骨結(jié)節(jié)50 mm以遠，脛骨內(nèi)側(cè)截骨寬15 mm、長50 mm窗口，截骨深度為20 mm設(shè)為A組；在A組的基礎(chǔ)上將截骨上端改為圓弧形設(shè)為B組；在A組的基礎(chǔ)上將截骨位置改為脛骨內(nèi)側(cè)中段設(shè)置為C組；在A組的基礎(chǔ)上將截骨位置改為脛骨結(jié)節(jié)50 mm以遠，脛骨外側(cè)截骨設(shè)置為D組；未截骨設(shè)為完整脛骨實體組。研究各組截骨方式對截骨術(shù)后脛骨生物力學(xué)的影響。

結(jié)果 （1）Von Mises應(yīng)力：A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組Von Mises應(yīng)力分別為37.808 MPa、39.153 MPa、57.072 MPa、37.384 MPa、37.334 MPa；最大主應(yīng)力：A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組最大主應(yīng)力分別為30.823 MPa、30.879 MPa、59.270 MPa、30.825 MPa、30.819 MPa。完整脛骨實體組的Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力小于其他四組；A組Von Mises應(yīng)力小于B組及C組，最大主應(yīng)力小于B組、C組及D組。（2）總體位移：A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組分別為7.1514 mm、7.1573 mm、7.3762 mm、7.2639 mm、7.0624 mm；單方向位移：A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組分別為7.1063 mm、7.1124 mm、7.3335 mm、7.2154 mm、7.0155 mm。完整脛骨實體組的總體位移、單方向位移小于其他四組，A組總體位移、單方向位移小于B組、C組及D組。

結(jié)論 在脛骨結(jié)節(jié)50 mm以遠，脛骨內(nèi)側(cè)截骨寬15 mm、長50 mm窗口，截骨深度為20 mm的截骨方式穩(wěn)定性較強，具有生物力學(xué)優(yōu)勢，可降低脛骨的骨折風(fēng)險，對臨床有一定指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】 脛骨橫向搬移術(shù)；有限元建模；脛骨

中圖分類號：R683.42"" 文獻標(biāo)志碼：A"" DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.12.004

Finite element analysis of four osteotomy methods

in Ilizarov tibial transverse transport

[HJ2][HJ]

TU Zhenyang1， LAN Changgong2a， TANG Shengfei3， WANG Zhiguo1， ZENG Jing1，

WU Dongdong1， WEI Jieying1， LIAO Qiujiao2a， TANG Qiang2b

（1. Department of Orthopedics， Guangzhou Liwan Central Hospital， Guangzhou 510000， Guangdong， China;

2a. Department of Joint Surgery， 2b. Department of Burn Plastic and Wound Repair Surgery， Affiliated

Hospital of Youjiang Medical University for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China; 3. Department

of Ultrasound Diagnosis， Guangzhou Red Cross Hospital， Guangzhou 510000， Guangdong， China）

[HJ2][HJ]

【Abstract】 Objective To establish the three-dimensional finite element model of Ilizarov tibial transverse transport based on the CT of tibia and fibula， so as to study the biomechanical characteristics of different surgical types.

Methods The models of different bone flap shapes and positions were established by finite element method. Group A were selected with distal tibial tubercle of 50 mm， vtibia internal osteotomy window of 15 mm in width and 50 mm in length， and a osteotomy depth of 20 mm. On the basis of group A， group B changed the upper end of the osteotomy to a circular arc， group C changed osteotomy position to the middle part of internal tibia. In addition， group D changed osteotomy position to be 50 mm away from the tibial tubercle， and implemented lateral tibial osteotomy on the basis of group A. No osteotomy was set as intact tibial solid group. And then， the effects of osteotomy methods on the biomechanics of tibia after osteotomy were studied.

Results （1） Von Mises stress： the Von Mises stress in the group A， the group B， the group C， the group D， and the intact tibial solid group were 37.808 MPa， 39.153 MPa， 57.072 MPa， 37.384 MPa， and 37.334 MPa， respectively; maximum principal stresses： maximum principal stresses in the group A， the group B， the group C， the group D， and the intact tibial solid group were 30.823 MPa， 30.879 MPa， 59.270 MPa， 30.825 MPa， and 30.819 MPa， respectively. The Von Mises stress and maximum principal stress in the intact tibial solid group were lower than those in the other four groups; the Von Mises stress in the group A was lower than that in the group B and the group C， and the maximum principal stress was lower than that in the group B， the group C and the group D. （2） Overall displacement： overall displancement in the group A， the group B， the group C， the group D， and the intact tibial solid group were 7.1514 mm， 7.1573 mm， 7.3762 mm， 7.2639 mm， and 7.0624 mm， respectively; unidirectional displacement： unidirectional displacement in the group A， the group B， the group C， the group D， and the intact tibial solid group were 7.1063 mm， 7.1124 mm， 7.3335 mm， 7.2154 mm， 7.0155 mm， respectively. The overall displacement and unidirectional displacement in the intact tibial solid group were smaller than those in the other four groups， while the overall displacement and unidirectional displacement in the group A were smaller than those in the group B， the group C， the group D.

Conclusion The osteotomy method with distal tibial tubercle of 50 mm， vtibia internal osteotomy window of 15 mm in width and 50 mm in length， and a osteotomy depth of 20 mm has the strongest stability and biomechanical advantages， which can reduce the risk of tibial fracture， and has certain guiding significance for clinical practice.

【Keywords】 tibial transverse transport; finite element; tibia

Ilizarov技術(shù)在復(fù)雜肢體創(chuàng)傷、畸形、骨髓炎和骨缺損等疾病的治療中發(fā)揮重要作用，并顯示出良好的臨床效果［1］。Ilizarov技術(shù)的理論基礎(chǔ)是張力-應(yīng)力定律，持續(xù)的牽張刺激下促進組織再生和修復(fù)，鑒于骨細胞為穩(wěn)定細胞，在成骨細胞及破骨細胞的共同參與下發(fā)生再生重塑。在拉力和應(yīng)力的作用下，骨細胞及組織可在周圍的神經(jīng)、血管、肌肉等皮下組織延伸，發(fā)生牽張成骨，該應(yīng)用技術(shù)在骨科發(fā)展史具有里程碑意義［2］，脛骨橫向搬移術(shù)（tibial transverse transport，TTT）是Ilizarov技術(shù)的其中之一，主要治療下肢血管性病變、糖尿病足及皮膚慢性潰瘍等疾病。研究發(fā)現(xiàn)，TTT術(shù)后患者體內(nèi)發(fā)生了巨噬細胞極化平衡的重建、骨髓源性干細胞的動員和調(diào)節(jié)，該過程對創(chuàng)面愈合具有重大意義［3］。在國內(nèi)外的TTT發(fā)展過程中，關(guān)于脛骨的截骨范圍和截骨位置尚未統(tǒng)一。鑒于患者脛骨解剖及血供特點，術(shù)者一般選擇脛骨中上段進行截骨［4］，截骨后按照“手風(fēng)琴技術(shù)”進行骨搬移，按既定時間搬移結(jié)束后，根據(jù)創(chuàng)面愈合清創(chuàng)，拆除患者小腿脛骨搬移裝置，從該裝置的安裝至拆除過程，患者主要選擇臥床休息，骨折風(fēng)險小，但脛骨搬移裝置拆除后，需要下肢支具固定1.5～2個月，此時間段部分依從性差的患者，并未待骨瓣愈合，而自行全負重行走，該時間段是骨折的高風(fēng)險期，截骨部位骨折是TTT手術(shù)失敗的重要因素之一［5］，骨折可能導(dǎo)致骨筋膜室綜合征、創(chuàng)面遷延不愈、靜脈血栓等并發(fā)癥，嚴(yán)重者可因血供差，導(dǎo)致下肢組織壞死而致殘、致畸［6］。因此，截骨范圍和截骨形狀對脛骨的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本次研究以專家共識意見為依據(jù)，旨在通過有限元分析脛骨截骨部位及形狀對脛骨穩(wěn)定性的影響，從生物力學(xué)角度研究為臨床提供思路。

1 資料與方法

1.1 研究資料

選擇1名健康男性志愿者，年齡35歲，體重78 kg，身高180 cm，排除脛腓骨骨折、骨缺損、骨原發(fā)腫瘤及轉(zhuǎn)移瘤等異常情況，應(yīng)用64排螺旋CT掃描（聯(lián)影，中國），掃描電壓120 kV，旋轉(zhuǎn)時間0.8 s，掃描電流150 mA，螺距0.9875，掃描層厚5 mm，斷層掃描數(shù)據(jù)均以DICOM格式存儲，使用Mimics Research 21.0、Geomagic Wrap 2021、SOLIDWORKS 2022、Workbench 17.0等軟件進行數(shù)據(jù)分析，此實驗已獲得廣州市荔灣中心醫(yī)院倫理委員會審核批準(zhǔn)，志愿者已知曉并簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件

將CT以DICOM格式導(dǎo)入Mimics軟件，然后把相同系列的圖像合并，共1332張圖片，灰度值選擇900～2000 HU，采用Region Grow，去除目標(biāo)之外的碎屑，進行Split Mask，將脛腓骨從膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)圖像中分離出來，采用Edit masks調(diào)整并填充脛腓骨輪廓，保存為STL格式的文件（圖1）。

1.2.2 基于Geomagi軟件優(yōu)化模型

打開Geomagic文件，導(dǎo)入Mimics軟件生成的STL文件，重畫網(wǎng)格，設(shè)置Target Edge Length為0.8 mm，生成三角形數(shù)量為171 872，刪除邊界，刪除模型之外的碎片，去除特征，刪除釘狀物，松弛、降噪、快速光順，砂紙打磨，網(wǎng)格醫(yī)生檢查，應(yīng)用去除釘狀物。進入精確曲面，探測并編輯輪廓線，構(gòu)建和修理曲面片，構(gòu)建格柵，擬合曲面，保存為WRP格式后再保存后STEP格式。在Geomagic多邊形命令中，首先刪除釘狀物，整體偏移2 mm，網(wǎng)格醫(yī)生檢查，進入精確曲面進行曲面化，建立脛腓骨松質(zhì)骨模型，保存后STEP格式（圖2）。

1.2.3 基于SolidWorks軟件進行裝配及建立脛骨截骨模型

導(dǎo)入脛腓骨皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨STEP格式文件，檢查外表曲面后，保存為SLDPRT格式，進行裝配，檢查干涉。在選取截圖的基準(zhǔn)面上進行草圖，繪制寬15 mm、長50 mm窗口，拉伸凸臺，距離選擇20 mm。此外，弧形截骨，選擇上段繪制直徑為15 mm圓弧，圓弧分別與三條邊相切，然后裁剪實體，得出上端為弧形的脛骨截骨。內(nèi)側(cè)上段直角截骨為A組，內(nèi)側(cè)上段弧形截骨為B組，內(nèi)側(cè)中段直角截骨為C組，外側(cè)上段直角截骨為D組，此外，未截骨設(shè)置為完整脛骨實體組，分別保存為SLDPRT格式（圖3 ）。

1.2.4 基于Workbench力學(xué)分析

創(chuàng)建Static structural，導(dǎo)入材料屬性進行分析，皮質(zhì)骨的Young's modulus為17 000 Mpa，Poisson's ratio為0.30，松質(zhì)骨的Young's modulus為800 Mpa，Poisson's ratio為0.29［7］。導(dǎo)入模型，劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 mm，約束患者脛腓骨底端，給予脛骨平臺施加780 N力（見表1和圖4）。

2 結(jié)" 果

2.1 TTT的有限元模型結(jié)果

對完整脛骨實體組模型進行有限元網(wǎng)格劃分，共生成實體單元416 945個，節(jié)點656 606個；A組共生成實體單元411 720個，節(jié)點649 350個；B組共生成實體單元413 369個，節(jié)點651 513個；C組共生成實體單元413 255個，節(jié)點651 258個；D組共生成實體單元412 554個，節(jié)點650 416個。

2.2 五組模型Von Mises應(yīng)力及最大主應(yīng)力

A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力數(shù)值見表2。完整脛骨實體組的Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力小于A組、B組、C組及D組，A組Von Mises應(yīng)力小于B組及C組，最大主應(yīng)力小于B組、C組及D組。C組的Von Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力在五組中最大。見圖5A-E。

2.3 五組模型總體位移及單方向位移

A組、B組、C組、D組和完整脛骨實體組總體位移和單方向位移見表3。完整脛骨實體組的總體位移、單方向位移小于A組、B組、C組及D組，A組總體位移、單方向位移均小于B組、C組及D組。C組的總體位移和單方向位移在五組中最大。見圖5A-E。

3 討" 論

TTT手術(shù)是在Ilizarov技術(shù)上的延伸和改良，臨床結(jié)果顯示可縮短創(chuàng)面修復(fù)時間，改善創(chuàng)面愈合質(zhì)量［8］。TTT的優(yōu)勢在于可通過手術(shù)切開脛骨皮質(zhì)骨，進而降低脛骨髓腔的髓內(nèi)壓力，達到改善微循環(huán)的目的；而且在拉力及應(yīng)力的刺激下激活相關(guān)因子，可促進毛細血管再生，加速血管網(wǎng)絡(luò)的形成；此外，干細胞動員、局部炎癥介導(dǎo)在創(chuàng)面的愈合過程中發(fā)揮了重要的生物學(xué)作用［9］。研究指出［10］，TTT可能促進創(chuàng)面成纖維細胞釋放VEGFA和CXCL12，引起內(nèi)皮祖細胞動員，從而促進血管生成和潰瘍創(chuàng)面愈合。TTT手術(shù)及圍術(shù)期脛腓骨的穩(wěn)定性是創(chuàng)面愈合的前提，也是手術(shù)成功的重要保障。截骨位置、面積大小及截骨的形狀是脛腓骨穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，選擇不適宜的截骨位置、截骨面積和截骨形狀，可能影響創(chuàng)面愈合時間和毛細血管網(wǎng)再生，并發(fā)生不良事件，如骨與軟組織供血不足，導(dǎo)致骨壞死、創(chuàng)面遷延不愈，進而發(fā)生感染，甚至術(shù)后并發(fā)骨折［3］。隨著TTT研究和改良的不斷深入，脛腓骨術(shù)后的穩(wěn)定性逐漸受到醫(yī)生和科研人員關(guān)注。我國最早報道TTT用于血栓閉塞性脈管炎，選擇脛骨中段脛骨嵴內(nèi)側(cè)稍前方，按脛骨長度的25%計算，截骨范圍20 mm×12 mm［11］。在另外一項關(guān)于TTT技術(shù)的研究中［12］，作者設(shè)計截骨范圍在脛骨內(nèi)側(cè)長5～7 cm、寬1.5～2.0 cm，較前截骨面積明顯擴大，臨床觀察發(fā)現(xiàn)可有效治療創(chuàng)面愈合。此外，有研究者采取實驗組截取面積大小為5.0 cm×1.5 cm，與對照組截取面積大小為10 cm×2 cm骨窗進行對比分析［13］，結(jié)果顯示面積為5.0 cm×1.5 cm治療效果優(yōu)于對照組，實驗組癥狀緩解快，并發(fā)癥的發(fā)生率低。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［14］，在脛骨中段分別制作3.5 cm×1.5 cm的骨窗，結(jié)果表明，雖然縮小了截骨面積，但同樣獲得較好的治療效果。國外學(xué)者采用環(huán)形外固定架，在脛骨外側(cè)表面行皮質(zhì)切開，截骨面積和截骨位置與傳統(tǒng)TTT不同，此次研究截骨范圍寬3 cm，長12 cm，橫過脛骨嵴［15］，該實驗進一步完善不同入路及術(shù)式在TTT手術(shù)的研究。因此基于大量研究成果及經(jīng)驗，2020年專家共識建議［16］：選擇脛骨內(nèi)側(cè)面于脛骨結(jié)節(jié)5 cm處開始截骨，截骨范圍50 mm×15 mm。

本次實驗以專家共識為依據(jù)，進行分組對比分析，基于有限元，從力學(xué)分析角度，截骨面積選擇為50 mm×15 mm，分別對脛骨段及脛骨中段、脛骨內(nèi)外側(cè)進行建模有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A組及D組較C組的Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、總體位移、單方向位移均小?？赡苡捎诿劰堑闹猩隙蔚闹軓捷^大，降低骨折風(fēng)險，與LI等［17］的研究結(jié)果一致。在脛骨中上段選擇不同截骨形態(tài)，結(jié)果顯示，A組優(yōu)于B組。而在一項關(guān)于股骨及股骨瓣制備術(shù)后供區(qū)有限元建模，對比分析股骨外側(cè)圓弧形截骨和直角截骨發(fā)現(xiàn)，兩組整體位移無明顯差異，但圓弧形截骨Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力較直角截骨明顯縮?。?8］。本次實驗發(fā)現(xiàn)脛骨直角截骨的Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、總體位移、單方向位移均小于圓弧截骨，分析原因可能由于直角截骨后最大等效應(yīng)力、最大應(yīng)力并未出現(xiàn)在縱、橫切面交匯部位，所以由直角截骨改為圓弧形截骨，并未降低Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、總體位移、單方向位移。本次力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)C組中段截骨的Von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、總體位移、單方向位移值最大，較其他組的穩(wěn)定性差。因此，在脛結(jié)節(jié)下方50 mm，截骨范圍為50 mm×15 mm的術(shù)式是安全可行的，但在此4種截骨方式中盡量避免脛骨內(nèi)側(cè)中段截骨。

三維有限元技術(shù)在生物組織中的廣泛應(yīng)用及不斷發(fā)展，為臨床手術(shù)方式的選擇提供了重要的依據(jù)。本次實驗的局限性在于三維有限元技術(shù)為理想化模型，本次實驗主要考慮脛骨截骨后的穩(wěn)定性，故并未納入韌帶及腓骨的影響。其次本實驗僅對脛骨的穩(wěn)定性進行研究，并未將各組的術(shù)后愈合效果進行對比。擬在今后的實驗中，納入不同截骨位置、不同截骨形狀進行術(shù)后愈合效果的對比，為手術(shù)提供更多可靠的依據(jù)。

參 考 文 獻

［1］ "ZHU Y L， GUO B F， ZANG J C， et al. Ilizarov technology in China：a historic review of thirty-one years［J］. Int Orthop，2022，46（3）：661-668.

［2］ "LI J， LI M， WANG W ，et al. Evolution and development of ilizarov technique in the treatment of infected long bone nonunion with or without bone defects［J］. Orthop Surg，2022，14（5）：824-830.

［3］ "LIU Z， XU C， YU Y K， et al. Twenty years development of tibial cortex transverse transport surgery in PR China［J］.Orthop Surg，2022，14（6）：1034-1048.

［4］ "OU S， WU X， YANG Y， et al.Tibial cortex transverse transport potentiates diabetic wound healing via activation of SDF-1/CXCR4 signaling［J］. PeerJ， 2023 ，15（11）：e15894.

［5］ "張定偉，黃俊琪，石波，等.脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足的并發(fā)癥分析［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2020，34（8）：985-989.

［6］ "趙曉明，劉亮，袁啟令，等.脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足的研究進展［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2020，34（8）：969-973.

［7］ "FANG S， ZHANG L， YANG Y， et al. Finite element analysis comparison of Type 42A2 fracture fixed with external titanium alloy locking plate and traditional external fixation frame［J］. J Orthop Surg Res，2023，18（1）：815.

［8］ "KONG L C， LI Y Y， DENG Z F， et al. Tibial cortex transverse transport regulates Orai1/STIM1-mediated NO release and improve the migration and proliferation of vessels via increasing osteopontin expression［J］. J Orthop Transl， 2024，45：107-119.

［9］ "楊永康，李剛.脛骨橫向骨搬移技術(shù)促進微循環(huán)再生及組織修復(fù)生物學(xué)機制的初步探索［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2020，34（8）：964-968.

［10］ "TIAN W Q， FENG B， ZHANG L， et al. Tibial transverse transport induces mobilization of endothelial progenitor cells to accelerate angiogenesis and ulcer wound healing through the VEGFA/CXCL12 pathway［J］. Biochem Biophys Res Commun，2024，709：149853.

［11］ "曲龍，王愛林，湯福剛.脛骨橫向搬移血管再生術(shù)治療血栓閉塞性脈管炎［J］.中華醫(yī)學(xué)雜志，2001，81（10）：622-624.

［12］ "常樹森，楊尉，宋荷花，等.脛骨橫向骨搬移技術(shù)聯(lián)合改良神經(jīng)松解術(shù)治療糖尿病足潰瘍［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2023，37 （11）：1410-1417.

［13］ "陳文龍，康鵬德.改良外固定架脛骨橫向骨搬移聯(lián)合負壓封閉引流技術(shù)治療糖尿病足的臨床療效觀察［J］.中國骨與關(guān)節(jié)雜志，2023，12 （10）：755-759.

［14］ "武黎，黃英.脛骨橫向搬移術(shù)治療重度糖尿病足及其骨髓干細胞動員的機制研究［D］.南寧：廣西醫(yī)科大學(xué)，2017.

［15］ "PATWA J J， KRISHNAN A. Buerger's disease （thromboangiitis obliterans）- management by ilizarov's technique of horizontal distraction.A retrospective study of 60 cases［J］. Indian J Surg，2011，73（1）：40-47.

［16］ "趙勁民，李剛.脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足的專家共識（2020）［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2020，34（8）：945-950.

［17］ "LI G， LING S K K， LI H A， et al. How to perform minimally invasive tibial cortex transverse transport surgery［J］. J Orthop Transl，2020，25：28-32.

［18］ "于澤銘.基于CT數(shù)據(jù)人股骨及股骨瓣制取術(shù)后供區(qū)有限元建模分析［D］.北京：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2023.

（收稿日期：2024-09-03 修回日期：2024-10-18）

（編輯：潘明志）

基金項目：國家自然科學(xué)基金（82160907）

第一作者簡介：涂振陽，男，住院醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，研究方向：骨腫瘤與脊柱骨關(guān)節(jié)疾病。E-mail：286068616@qq.com

通信作者：唐強。E-mail：1379@ymun.edu.cn

［本文引用格式］涂振陽，藍常貢，唐盛斐，等.Ilizarov脛骨橫向搬移術(shù)4種截骨方式的有限元分析［J］.右江醫(yī)學(xué)，2024，52（12）：1079-1084.