胫骨内侧开放楔形高位截骨在不同截骨角度下的有限元分析

程邦君,赵登秋(上海市第六人民医院金山分院骨科，上海 0599;上海健康医学院附属周浦医院外科；通讯作者,E-mail:zgzhlc68@sina.com)

膝关节的骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)在人体所有骨性关节疾病中发病率最高，尤其好发于中老年人群，统计发现在60岁的人群中有约一半的人罹患膝骨关节炎，而在75岁以上的人群却高达80%，其常出现膝关节疼痛、肿胀、畸形等症状，使老年患者生活质量明显受到影响。其中内侧间室性骨关节炎(medial compartmental osteoarthritis,MCOA)的发病率约74%[1]。对于以内侧间室性骨关节炎为主的“年轻”患者(小于65岁)，单髁置换或全膝置换均存在创伤较大以及远期假体磨损松动等方面的问题。胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy,HTO)最早在19世纪60年代由Jackson首先提出,该手术旨在通过在胫骨近端进行高位截骨，将下肢力线从膝关节内侧间室转移到正常的膝关节外侧间室，从而达到缓解关节疼痛、减轻关节炎症状并延长膝关节寿命的目的[2,3]；在当今临床，该术式已成为治疗内侧间室性骨关节炎的“良方利剑”。而对于不同截骨角度下是否植骨及截骨角度超过多少需植骨，目前仍有争论[4-6]，本研究通过计算机三维有限元技术来分析研究对于单纯内侧间室性骨关节炎患者行胫骨高位截骨术时，胫骨内侧不同截骨角度下的生物学特性。

1 资料与方法

1.1 材料及软件

选择5例截骨角度分别在8°，10°，12°，14°和16°的内侧间室性膝骨关节炎病例，分别行胫骨内侧高位截骨术，提取术后CT超薄层平扫资料；选择1例健康成人膝关节行64排螺旋CT扫描，扫描层厚0.625 mm，床进速度为1.3 mm/s，球管电流与电压为500 mA和120.0 kV，得到数据均保存为Dicom格式；选用Mimics 19．0、Geomagic 2013、Hypermesh14.0、Solidworks 2014等软件进行数据分析。

1.2 胫骨近端和内固定系统三维模型的建立

将Dicom格式数据导入Mimicsl9.0软件，通过灰度值调整、多层编辑、区域增长等命令使二维CT图像数据转化为三维立体图像，将三维模型以STL文件格式导出；然后将三维模型导入Geomagic 2013，对其进行参数化曲面，构建出Nurbs曲面，最后整体导出IGES格式，在Solidworks中根据钢板实际几何尺寸进行钢板和螺钉的建模，建立好的模型以IGES格式导出；将胫骨近端和内固定系统IGES文件导入3-matic 11.0中进行位置装配，调整内固定至合适位置，然后一起导入到Hypermesh14.0中进行有限元网格处理，骨和内固定的网格密度都设置为1 mm，然后利用Tetramesh功能进行三维网格建立，构建出线性四面体网格；所有模型以inp格式导入Abaqus6.13中进行仿真分析(见图1)。

A.Mimics中建立胫骨模型，以STL格式导出；B.STL胫骨模型导入Geomagic软件进行Nurbs曲面化，以IGES格式导出；C.IGES文件导入Hypermesh软件中进行网格划分、截骨；D.建立不同截骨角度;E.在Solidworks软件中建立钢板和螺钉三维模型；F.将骨折和钢板模型导入3-matic软件进行装配；G.装配好的模型三维网格划分后导入Abaqus软件进行边界条件设置和计算；H.计算结果图1 胫骨近端有限元模型的建立及计算过程Figure 1 The establishment and calculation process of the finite element model of the proximal tibia

1.3 建立5个角度的钢板内固定模型

将胫骨三维模型按不同截骨角度进行切割构建不同截骨角度的高位截骨模型，在胫骨平台关节面下2 cm、胫骨结节上方水平截骨，保留外侧骨皮质，保留胫骨结节，构建不同截骨角度的胫骨近端钢板固定模型。胫骨分为皮质骨和松质骨，所有骨假设为各向同性、线弹性材料，皮质骨弹性模量17 GPa，弹性模量0.33，松质骨弹性模量5 GPa，弹性模量0.33。钢板及螺钉材料属性设置为钛合金，弹性模量设置为110 GPa，泊松比为0.3。钢板固定高位截骨有限元模型。

1.4 设置载荷加载

将胫骨远端固定，胫骨近端内外侧分别加载480 N和720 N的载荷模拟2倍成年人单足站立或轻度运动时膝关节承受的压应力(体质量60 kg)。加载应力方式为垂直于胫骨平台下约2 cm处的截骨面处的轴向加压，载荷施加方向同胫骨力学轴方向一致，力的作用点位于胫骨截骨处。分别观察胫骨截骨角度在8°，10°，12°，14°和16°时，胫骨近端的总体应力和位移情况及钢板的应力和位移情况。本实验中忽略膝关节肌肉韧带力，关节软骨、半月板等介质的摩擦力及动力冲击等因素。

2 结果

将胫骨远端固定，在胫骨近端内外侧分别加载480 N和720 N的载荷，胫骨截骨角度在8°，10°和12°时，胫骨近端的总体应力和位移相关数据接近，基本无差别；钢板的应力和位移的相关数据也比较接近，差别不大(见图2,表1)。当截骨角度超过12°时，截骨角度在14°和16°时，胫骨近端的总体应力和位移随着截骨角度的增大而增加；钢板的应力和位移也随着截骨角度的增大而增大(见图2,表1)。

a-e分别为8°，10°，12°，14°，16°的总体应力；f-j分别为8°，10°，12°，14°，16°的钢板应力；A-E分别为8°，10°，12°，14°，16°的总体位移；F-J分别为8°，10°，12°，14°，16°的钢板位移图2 不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移图Figure 2 Diagram of overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate at different osteotomy angles

表1 不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移

3 讨论

随着中国老龄化的不断进展，KOA的发病率和致畸率都在不断增高。KOA是由多因素导致的慢性膝关节疾病，多见于中老年人，其病理特点是关节软骨的退行性改变和关节周围继发性骨质增生[7]。目前临床对其治疗主要采用对症性保守治疗和手术治疗，但保守治疗对于症状重者效果欠佳，而膝关节置换术后短期功能效果欠佳，同时还可能发生感染、假体周围骨折、假体失效等相关并发症[8-10]。21世纪以来，在保膝理念影响下，KOA阶梯治疗的规范，随着手术技术的进步，新型内固定材料的不断研发，膝骨关节炎的治疗方法取得迅速的发展[11,12]。目前,胫骨高位截骨术(HTO)已成为治疗“年轻”的、伴有内翻畸形的、内侧单间室的、不合并半月板及韧带损伤的骨关节炎的首选方法。尤其是胫骨内侧开放性高位截骨术，由于其具有手术学习曲线较短、伤口小、力线调整方便、纠正畸形精准、腓总神经损伤发生率低、骨质流失少、不导致肢体短缩及Ⅱ期几乎不影响关节置换等优势被日常临床所首选[13]。但是胫骨内侧开放性高位截骨由于内侧截骨撑开后，存在楔形骨缺损，并且随着撑开角度越大，骨缺损容积越大，潜在不愈合可能性增高，据报道发生延迟愈合或不愈合的发生率在0～35%之间[14]。

目前对于胫骨内侧开放性高位截骨在是否植骨及多大截骨角度植骨方面众说纷纭。朱旭等[15]通过研究认为内侧撑开截骨角度较大时需行植骨术，如不植骨楔形骨缺损处发生骨折愈合问题的比例约为1%～7%左右，但其对多大截骨角度需植骨未做进一步说明。国内学者徐亚风等[16]通过对43例KOA患者行内侧胫骨开放性高位截骨的植骨和不植骨对比研究发现二者无统计学差异，且所有患者截骨角度无丢失。Han等[17]从放射学角度研究发现，植骨组和未植骨组在术后骨延迟愈合、骨不连和矫正角度丢失率方面没有差异。但以上二位学者的截骨面撑开高度均未超过12 mm。李珂等[18]在研究中对平均截骨面撑开高度为(11.4±3.4)mm的病例均行植骨术，取得良好效果。Aryee等[19]通过研究建议对肥胖者、吸烟者、内侧撑开高度超过10 mm者，在截骨间隙需要植骨填补骨缺损。Spahn[20]认为撑开角度超过12°时需要植骨。EI-Assal等[21]则认为当截骨高度>14 mm时进行骨移植或使用人工骨。郇松玮等[22]研究发现，对于骨质良好、截骨撑开角度15°以内的患者均不需植骨，术后未发生内固定失败、截骨不愈合等并发症。李朋斌等[23]通过研究认为，截骨撑开角度<18°情况下均不需植骨，当撑开≥18°则建议植骨，植骨有利于增加截骨术后力学稳定性，促进截骨处愈合，防止愈合不良及骨不连。但国外学者Zorzi等[24]研究则发现胫骨内侧开放性高位截骨术是否植骨不影响术后疗效。

本实验研究结果显示，将胫骨远端固定，胫骨近端内外侧分别加载480 N和720 N的载荷下，当截骨角度在8°，10°和12°时，胫骨近端的总体应力和位移、钢板的应力和位移都比较接近，差别不大。说明当截骨角度≤12°时，其截骨术后胫骨近端整体和内固定均稳定，截骨楔形骨缺损处愈合高，可以早日行功能锻炼，术后发生骨延迟愈合或不愈合的概率非常低。当截骨角度超过12°时，截骨角度在14°和16°时，胫骨近端的总体应力和位移、钢板的应力和位移都随着截骨角度的增大而增大。说明当截骨角度>12°后，随着截骨角度的增加，其截骨术后胫骨近端整体和内固定稳定性逐渐变差，截骨楔形骨缺损处发生骨延迟愈合或不愈合的概率逐渐提高，这一结果可以通过植骨来增强其胫骨近端及内固定材料的稳定性，来提高其愈合率及早日功能锻炼，降低手术失败的风险。国内学者[14]通过研究发现当撑开角度大于10°，或伴有外侧“合页”处骨折行植骨，术后可以保证骨折愈合，降低矫形角度丢失，早期功能锻炼。

综上所述，据本研究发现，在胫骨内侧开放性高位截骨手术时，当截骨角度≤12°时，临床可以选择不植骨；当截骨角度>12°，建议临床植骨以增加其截骨稳定性及防止术后截骨角度丢失或术后早期建议制动、延长康复锻炼开始时间，降低手术失败风险。

本研究存在一定的不足：①三维有限元技术有较高的准确性，但是它毕竟是通过计算机技术模拟而成的一种相对理想化的模型，没有把关节周围的韧带、软组织等包括在内，与日常临床仍有较大差距；②本研究未设计对照组植骨有限元分析；③截骨角度选择较少，数据可能存在偏移。因此，本课题还需进一步研究，多增加不同的截骨角度及增加对照组，以求得到更加可靠、全面的结论。