腓骨高位截骨术对胫骨平台的生物力学分析

莫诒向，邓羽平，黄文华，3，欧阳汉斌

1.南方医科大学基础医学院人体解剖学国家重点学科，广东广州510515；2.广东省医学3D 打印应用转化工程技术研究中心，广东广州510515；3.广东医科大学基础医学院人体解剖教研室，广东湛江524023；4.广东医科大学附属医院骨科中心，广东湛江524000

前言

膝关节炎是老年人群中常见的致残原因，会导致患者疼痛和活动受限，目前常用的手术方法主要包括全膝关节置换术和胫骨高位截骨术等。然而，全膝关节置换术的经济成本较高，并且在第一次手术后仍有3.4%的翻修几率［1-2］。尽管如今胫骨高位截骨术为膝内侧骨关节炎的常用手术方法，但是其仍存在骨折不愈合、内固定失效和感染等问题，且对手术技术及内固定方式的选用等有较高的要求［3-6］。张英泽等［7］根据“不均匀沉降理论”提出用腓骨高位截骨术作为治疗膝关节炎合并内翻畸形的新术式，对于缓解病人疼痛及改善活动功能等方面具有良好疗效。该术式有着相对简单、安全的优点，并且其经济成本在大多数病人的承受范围内。但是对于其适应症，特别是内翻角度，以及长期疗效等方面仍需要进一步的探讨，特别是缺乏生物力学方面的支持。本研究通过生物力学的方法，根据健康志愿者的CT数据来建立膝关节模型，进行相应的模拟力学分析，得出胫骨平台上不同截面的应力变化情况，为腓骨高位截骨术在伴有内翻畸形的膝关节炎中的临床应用提供生物力学数据作为参考。

1 材料和方法

1.1 健康志愿者模型的获取

收集一位健康志愿者的CT数据，利用Mimics提取其部分膝关节模型，只包括近端胫骨、腓骨及其胫骨平台上的关节软骨，不包括半月板等软组织［8］；在Geomagic Studio 2013 中对其分别进行光顺、精确曲面和实体化等操作，得到stp 格式文件，并导入Abaqus6.13。为使三维模型更加符合骨头的实际属性，利用Mimics 提供的经验公式对三维模型进行灰度赋值［9］。

其中，Density 是表观密度，用于描述骨头内部结构的特性；E-Modulus 是弹性模量，用于描述骨头的弹性性质。此外，泊松比固定为0.3［10］。

1.2 腓骨高位截骨术前模型的建立

基于胫骨平台的解剖学特点，根据软骨的分布范围选择适当大小的表面网格，使用ABAQUS 工具栏中的mesh 功能对其进行拉伸，得到厚度为1.5 mm的软骨层［11］。其材料属性赋值为：E=5 MPa，泊松比=0.46［12］。在Assembly 模块下对胫腓骨模型及胫骨平台上的软骨进行装配，即完成部分膝关节模型的建模。

1.3 腓骨高位截骨术前模型的数据加载

考虑到人体本身载荷以及膝关节处韧带的作用力，在直立位无负重状态下，确定施加在胫骨平台上的总载荷大小为1 500 N［8］。在本研究中，假设腓骨高位截骨前后膝关节的载荷情况与生理情况一致，那么胫骨平台内侧将承受总载荷的60%，外侧为40%［13-14］。载荷施加于胫骨平台的软骨表面上，方向与力线方向保持一致。根据实际情况中胫腓骨相对不动的状态，限定胫骨及腓骨最下端6个方向的自由度，使其活动度为0。此外，于胫骨与腓骨小头接触处添加tie约束，保持其相对位置不变。提交任务，即可进行有限元分析。

1.4 腓骨高位截骨术后三维有限元模型建模

于腓骨下端处切除2 cm 左右的骨质，模拟腓骨高位截骨手术过程［15］。由于进行了截骨，腓骨下端相对不动状态被打破，于是解除腓骨下端6个方向自由度的限制，让其能自由活动。其余步骤和数据保持与术前的不变，完成腓骨高位截骨术后三维有限元模型的建模。腓骨高位截骨术模型的赋值过程以及施加在模型上的条件如图1所示。

图1 腓骨高位截骨术模型的赋值过程以及施加在模型上的条件Fig.1 Assignments of the proximal fibular osteotomy model and the conditions imposed on the model

1.5 统计学方法

使用SPSS 18.0 软件对结果进行统计学分析，计量资料以均数±标准差表示，采用配对样本T检验的方法进行计量资料的组间比较，以P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 术前部分膝关节模型矢状位剖视图

如图2所示，本研究的结果与Papaioannou等［16］的研究结果相比无明显差异。可以认为本研究的有限元模型符合人体膝关节正常参数，能够有效模拟膝关节在切除腓骨前后的应力变化情况，可用于下一步试验。

图2 两种实验结果的米塞斯应力分布图Fig.2 Von Mises distributions in two experiments

于Abaqus 的后处理中，在术前胫骨平台内外侧各截取6个矢状位的米塞斯应力剖视图（分为外、中、内3个面，每个面截取两张典型的应力图），如图3a所示；并记录各个矢状截面于胫骨平台处的最大值，绘制成柱状图，如图3b所示。由图中可以明显看到，正常情况下，胫骨平台内侧所受到的应力值要大于外侧所受到的应力值。

2.2 术后部分膝关节模型矢状位剖视图

于Abaqus的后处理中，在术后胫骨平台内外侧各截取6个矢状位的米塞斯应力剖视图（分为外、中、内3个面，每个面截取两张典型的应力图），如图4a所示；并记录各个矢状截面于胫骨平台处的最大值，绘制成柱状图，如图4b所示。由图可以看出，在腓骨高位截骨后，胫骨平台内侧的所受到的应力值会减少，而外侧所受到的应力值会增加，两者的应力值的差异有所缩小。

2.3 胫骨平台上不同截面的点集合的应力值比较

按照上述剖视图的选取方式，在相应截面上选取一定数量的点构成集合，如图5所示。术前胫骨平台外侧外部为5A，中部为5B，内部为5C；胫骨平台内侧外部为5D，中部为5E，内部为5F。术后也选取同样的点集合进行统计，分别记为5a、5b、5c、5d、5e、5f。分析比较腓骨高位截骨前后不同位置上平均应力的变化情况，如表1所示。

从表1中数据可以看出，腓骨高位截骨手术前后胫骨平台外侧外部的应力值比较无明显差异（P=0.940），而外侧中部和内部的应力值比较均有显著差异（P＜0.01），术前应力值显著低于术后应力值。在胫骨平台内侧外部应力值比较显著差异（P＜0.05），术前应力值显著高于术后应力值；内侧内部应力值比较亦有显著差异（P＜0.05），但是术后的应力平均值大于术前应力平均值，表明术后应力值显著高于术前应力值，而内侧中部应力值比较无显著差异（P=0.323）。

图3 术前胫骨平台内外侧多截面剖视图Fig.3 Multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau before the operation

图4 术后胫骨平台内外侧多截面剖视图Fig.4 Multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau after the operation

3 讨论

本研究发现腓骨高位截骨术式前后胫骨平台上应力有着显著的变化。术前正常情况下，胫骨平台内侧所受载荷大于外侧，其内侧应力值亦大于外侧应力值，其中可能的原因是外侧的腓骨具有较高的骨密度而胫骨平台主要由松质骨组成，因此腓骨能对胫骨平台外侧起到一定的支持作用，内侧则因为缺少支撑而受到较大载荷。这种胫骨平台内外侧受力不均现象可能是导致膝关节炎继发内翻畸形的重要因素［15,17］。模拟腓骨高位截骨术后，比较术前术后胫骨平台上应力的变化情况可以看出，术后内侧胫骨平台的应力值减小，而外侧胫骨平台的应力值增加，并且这种变化具有统计学差异（P＜0.05），表明腓骨高位截骨的确有助于减轻胫骨平台内侧的压力，理论上有利于缓解膝关节炎的症状和改善膝关节处的活动状况和功能，与临床病例的手术结果一致［18-20］。此外，对术后胫骨平台内侧3 个部位上随机点的应力进行比较发现，其外部的应力值低于术前的应力值（P＜0.01），中部的应力值无明显差异（P＞0.05），而内部的应力值高于术前的应力值（P＜0.01），这说明胫骨平台上的应力在腓骨高位截骨后有向平台中间偏移的趋势，内外侧应力趋于平衡。基于上述结果我们可以推测：该区域的应力集中现象对于患者的长期预后可能会造成不良影响。然而，在实际体内人体环境中，患者术后康复情况很大程度上受到患者身体健康状况、骨质条件以及手术医师水平等因素的影响，更具有信服力的结论仍需临床数据和实验结果的支持。

图5 术前胫骨平台内外侧多截面的点集合Fig.5 Dot sets of multiple-sectional views of the medial and lateral tibial plateau before the operation

本研究构建的部分膝关节模型囊括了胫骨平台上的软骨，但是不包括半月板和韧带，主要的原因有：（1）半月板在人体内主要起到承担载荷、传递应力的作用，但是可以用直接添加载荷的方式予以替代；（2）据文献报道，添加了软骨的骨头比单纯的骨头模型对于膝关节内载荷的传递具有更精确的模拟效果［11］；（3）简化了韧带、半月板与胫骨平台的连接，采用直接施加相应载荷的方式，从结果上与带有韧带和半月板的实验结果趋于一致，但大大节省了计算成本，提高了分析效率。

表1 术前术后不同位置的米塞斯应力值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缓解胫骨平台内侧压力之外，还应具有改善下肢力线情况以及使内侧关节间隙增宽的作用。已有文献报道腓骨高位截骨无助于患者下肢力线的纠正［19］。而对于内侧关节间隙增宽这一现象，需要进行下一步的实验进行验证。尽管本研究努力使建立的模型符合实际情况，也与部分研究结果对模型进行了验证，但是缺乏了股骨对胫骨、髌骨对膝关节模型等的影响，并且采用的是正常人体模型而不是膝内翻患者的模型，仍会对实验的精确性造成一定的影响。因此在下一步的研究中，将对这些问题进行进一步的优化，以期能得到更有说服力的结果。

综上所述，腓骨高位截骨对于伴有膝内翻的膝关节炎在缓解疼痛、改善关节功能等方面具有良好的治疗效果。但是由于术后应力集中于胫骨平台中间处后部，对于其术式的适应症、长期疗效等仍需要长期观察。