Ilizarov胫骨横向搬移术4种截骨方式的有限元分析

【摘要】 目的 基于胫腓骨CT建立Ilizarov胫骨横向搬移术（TTT）三维有限元模型，研究不同术式的生物力学特征。

方法 通过有限元建立TTT不同骨瓣形态和位置的模型。选择胫骨结节50 mm以远，胫骨内侧截骨宽15 mm、长50 mm窗口，截骨深度为20 mm设为A组；在A组的基础上将截骨上端改为圆弧形设为B组；在A组的基础上将截骨位置改为胫骨内侧中段设置为C组；在A组的基础上将截骨位置改为胫骨结节50 mm以远，胫骨外侧截骨设置为D组；未截骨设为完整胫骨实体组。研究各组截骨方式对截骨术后胫骨生物力学的影响。

结果 （1）Von Mises应力：A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组Von Mises应力分别为37.808 MPa、39.153 MPa、57.072 MPa、37.384 MPa、37.334 MPa；最大主应力：A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组最大主应力分别为30.823 MPa、30.879 MPa、59.270 MPa、30.825 MPa、30.819 MPa。完整胫骨实体组的Von Mises应力、最大主应力小于其他四组；A组Von Mises应力小于B组及C组，最大主应力小于B组、C组及D组。（2）总体位移：A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组分别为7.1514 mm、7.1573 mm、7.3762 mm、7.2639 mm、7.0624 mm；单方向位移：A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组分别为7.1063 mm、7.1124 mm、7.3335 mm、7.2154 mm、7.0155 mm。完整胫骨实体组的总体位移、单方向位移小于其他四组，A组总体位移、单方向位移小于B组、C组及D组。

结论 在胫骨结节50 mm以远，胫骨内侧截骨宽15 mm、长50 mm窗口，截骨深度为20 mm的截骨方式稳定性较强，具有生物力学优势，可降低胫骨的骨折风险，对临床有一定指导意义。

【关键词】 胫骨横向搬移术；有限元建模；胫骨

中图分类号：R683.42"" 文献标志码：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技术在复杂肢体创伤、畸形、骨髓炎和骨缺损等疾病的治疗中发挥重要作用，并显示出良好的临床效果［1］。Ilizarov技术的理论基础是张力-应力定律，持续的牵张刺激下促进组织再生和修复，鉴于骨细胞为稳定细胞，在成骨细胞及破骨细胞的共同参与下发生再生重塑。在拉力和应力的作用下，骨细胞及组织可在周围的神经、血管、肌肉等皮下组织延伸，发生牵张成骨，该应用技术在骨科发展史具有里程碑意义［2］，胫骨横向搬移术（tibial transverse transport，TTT）是Ilizarov技术的其中之一，主要治疗下肢血管性病变、糖尿病足及皮肤慢性溃疡等疾病。研究发现，TTT术后患者体内发生了巨噬细胞极化平衡的重建、骨髓源性干细胞的动员和调节，该过程对创面愈合具有重大意义［3］。在国内外的TTT发展过程中，关于胫骨的截骨范围和截骨位置尚未统一。鉴于患者胫骨解剖及血供特点，术者一般选择胫骨中上段进行截骨［4］，截骨后按照“手风琴技术”进行骨搬移，按既定时间搬移结束后，根据创面愈合清创，拆除患者小腿胫骨搬移装置，从该装置的安装至拆除过程，患者主要选择卧床休息，骨折风险小，但胫骨搬移装置拆除后，需要下肢支具固定1.5～2个月，此时间段部分依从性差的患者，并未待骨瓣愈合，而自行全负重行走，该时间段是骨折的高风险期，截骨部位骨折是TTT手术失败的重要因素之一［5］，骨折可能导致骨筋膜室综合征、创面迁延不愈、静脉血栓等并发症，严重者可因血供差，导致下肢组织坏死而致残、致畸［6］。因此，截骨范围和截骨形状对胫骨的稳定性至关重要。本次研究以专家共识意见为依据，旨在通过有限元分析胫骨截骨部位及形状对胫骨稳定性的影响，从生物力学角度研究为临床提供思路。

1 资料与方法

1.1 研究资料

选择1名健康男性志愿者，年龄35岁，体重78 kg，身高180 cm，排除胫腓骨骨折、骨缺损、骨原发肿瘤及转移瘤等异常情况，应用64排螺旋CT扫描（联影，中国），扫描电压120 kV，旋转时间0.8 s，扫描电流150 mA，螺距0.9875，扫描层厚5 mm，断层扫描数据均以DICOM格式存储，使用Mimics Research 21.0、Geomagic Wrap 2021、SOLIDWORKS 2022、Workbench 17.0等软件进行数据分析，此实验已获得广州市荔湾中心医院伦理委员会审核批准，志愿者已知晓并签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 CT数据导入Mimics软件

将CT以DICOM格式导入Mimics软件，然后把相同系列的图像合并，共1332张图片，灰度值选择900～2000 HU，采用Region Grow，去除目标之外的碎屑，进行Split Mask，将胫腓骨从膝关节及踝关节图像中分离出来，采用Edit masks调整并填充胫腓骨轮廓，保存为STL格式的文件（图1）。

1.2.2 基于Geomagi软件优化模型

打开Geomagic文件，导入Mimics软件生成的STL文件，重画网格，设置Target Edge Length为0.8 mm，生成三角形数量为171 872，删除边界，删除模型之外的碎片，去除特征，删除钉状物，松弛、降噪、快速光顺，砂纸打磨，网格医生检查，应用去除钉状物。进入精确曲面，探测并编辑轮廓线，构建和修理曲面片，构建格栅，拟合曲面，保存为WRP格式后再保存后STEP格式。在Geomagic多边形命令中，首先删除钉状物，整体偏移2 mm，网格医生检查，进入精确曲面进行曲面化，建立胫腓骨松质骨模型，保存后STEP格式（图2）。

1.2.3 基于SolidWorks软件进行装配及建立胫骨截骨模型

导入胫腓骨皮质骨及松质骨STEP格式文件，检查外表曲面后，保存为SLDPRT格式，进行装配，检查干涉。在选取截图的基准面上进行草图，绘制宽15 mm、长50 mm窗口，拉伸凸台，距离选择20 mm。此外，弧形截骨，选择上段绘制直径为15 mm圆弧，圆弧分别与三条边相切，然后裁剪实体，得出上端为弧形的胫骨截骨。内侧上段直角截骨为A组，内侧上段弧形截骨为B组，内侧中段直角截骨为C组，外侧上段直角截骨为D组，此外，未截骨设置为完整胫骨实体组，分别保存为SLDPRT格式（图3 ）。

1.2.4 基于Workbench力学分析

创建Static structural，导入材料属性进行分析，皮质骨的Young's modulus为17 000 Mpa，Poisson's ratio为0.30，松质骨的Young's modulus为800 Mpa，Poisson's ratio为0.29［7］。导入模型，划分网格，网格尺寸为2 mm，约束患者胫腓骨底端，给予胫骨平台施加780 N力（见表1和图4）。

2 结" 果

2.1 TTT的有限元模型结果

对完整胫骨实体组模型进行有限元网格划分，共生成实体单元416 945个，节点656 606个；A组共生成实体单元411 720个，节点649 350个；B组共生成实体单元413 369个，节点651 513个；C组共生成实体单元413 255个，节点651 258个；D组共生成实体单元412 554个，节点650 416个。

2.2 五组模型Von Mises应力及最大主应力

A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组Von Mises应力、最大主应力数值见表2。完整胫骨实体组的Von Mises应力、最大主应力小于A组、B组、C组及D组，A组Von Mises应力小于B组及C组，最大主应力小于B组、C组及D组。C组的Von Mises应力和最大主应力在五组中最大。见图5A-E。

2.3 五组模型总体位移及单方向位移

A组、B组、C组、D组和完整胫骨实体组总体位移和单方向位移见表3。完整胫骨实体组的总体位移、单方向位移小于A组、B组、C组及D组，A组总体位移、单方向位移均小于B组、C组及D组。C组的总体位移和单方向位移在五组中最大。见图5A-E。

3 讨" 论

TTT手术是在Ilizarov技术上的延伸和改良，临床结果显示可缩短创面修复时间，改善创面愈合质量［8］。TTT的优势在于可通过手术切开胫骨皮质骨，进而降低胫骨髓腔的髓内压力，达到改善微循环的目的；而且在拉力及应力的刺激下激活相关因子，可促进毛细血管再生，加速血管网络的形成；此外，干细胞动员、局部炎症介导在创面的愈合过程中发挥了重要的生物学作用［9］。研究指出［10］，TTT可能促进创面成纤维细胞释放VEGFA和CXCL12，引起内皮祖细胞动员，从而促进血管生成和溃疡创面愈合。TTT手术及围术期胫腓骨的稳定性是创面愈合的前提，也是手术成功的重要保障。截骨位置、面积大小及截骨的形状是胫腓骨稳定性的关键因素，选择不适宜的截骨位置、截骨面积和截骨形状，可能影响创面愈合时间和毛细血管网再生，并发生不良事件，如骨与软组织供血不足，导致骨坏死、创面迁延不愈，进而发生感染，甚至术后并发骨折［3］。随着TTT研究和改良的不断深入，胫腓骨术后的稳定性逐渐受到医生和科研人员关注。我国最早报道TTT用于血栓闭塞性脉管炎，选择胫骨中段胫骨嵴内侧稍前方，按胫骨长度的25%计算，截骨范围20 mm×12 mm［11］。在另外一项关于TTT技术的研究中［12］，作者设计截骨范围在胫骨内侧长5～7 cm、宽1.5～2.0 cm，较前截骨面积明显扩大，临床观察发现可有效治疗创面愈合。此外，有研究者采取实验组截取面积大小为5.0 cm×1.5 cm，与对照组截取面积大小为10 cm×2 cm骨窗进行对比分析［13］，结果显示面积为5.0 cm×1.5 cm治疗效果优于对照组，实验组症状缓解快，并发症的发生率低。相关研究发现［14］，在胫骨中段分别制作3.5 cm×1.5 cm的骨窗，结果表明，虽然缩小了截骨面积，但同样获得较好的治疗效果。国外学者采用环形外固定架，在胫骨外侧表面行皮质切开，截骨面积和截骨位置与传统TTT不同，此次研究截骨范围宽3 cm，长12 cm，横过胫骨嵴［15］，该实验进一步完善不同入路及术式在TTT手术的研究。因此基于大量研究成果及经验，2020年专家共识建议［16］：选择胫骨内侧面于胫骨结节5 cm处开始截骨，截骨范围50 mm×15 mm。

本次实验以专家共识为依据，进行分组对比分析，基于有限元，从力学分析角度，截骨面积选择为50 mm×15 mm，分别对胫骨段及胫骨中段、胫骨内外侧进行建模有限元分析，结果发现A组及D组较C组的Von Mises应力、最大主应力、总体位移、单方向位移均小。可能由于胫骨的中上段的周径较大，降低骨折风险，与LI等［17］的研究结果一致。在胫骨中上段选择不同截骨形态，结果显示，A组优于B组。而在一项关于股骨及股骨瓣制备术后供区有限元建模，对比分析股骨外侧圆弧形截骨和直角截骨发现，两组整体位移无明显差异，但圆弧形截骨Von Mises应力、最大主应力较直角截骨明显缩小［18］。本次实验发现胫骨直角截骨的Von Mises应力、最大主应力、总体位移、单方向位移均小于圆弧截骨，分析原因可能由于直角截骨后最大等效应力、最大应力并未出现在纵、横切面交汇部位，所以由直角截骨改为圆弧形截骨，并未降低Von Mises应力、最大主应力、总体位移、单方向位移。本次力学分析发现C组中段截骨的Von Mises应力、最大主应力、总体位移、单方向位移值最大，较其他组的稳定性差。因此，在胫结节下方50 mm，截骨范围为50 mm×15 mm的术式是安全可行的，但在此4种截骨方式中尽量避免胫骨内侧中段截骨。

三维有限元技术在生物组织中的广泛应用及不断发展，为临床手术方式的选择提供了重要的依据。本次实验的局限性在于三维有限元技术为理想化模型，本次实验主要考虑胫骨截骨后的稳定性，故并未纳入韧带及腓骨的影响。其次本实验仅对胫骨的稳定性进行研究，并未将各组的术后愈合效果进行对比。拟在今后的实验中，纳入不同截骨位置、不同截骨形状进行术后愈合效果的对比，为手术提供更多可靠的依据。

参 考 文 献

［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］ "张定伟，黄俊琪，石波，等.胫骨横向骨搬移技术治疗糖尿病足的并发症分析［J］.中国修复重建外科杂志，2020，34（8）：985-989.

［6］ "赵晓明，刘亮，袁启令，等.胫骨横向骨搬移技术治疗糖尿病足的研究进展［J］.中国修复重建外科杂志，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］ "杨永康，李刚.胫骨横向骨搬移技术促进微循环再生及组织修复生物学机制的初步探索［J］.中国修复重建外科杂志，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］ "曲龙，王爱林，汤福刚.胫骨横向搬移血管再生术治疗血栓闭塞性脉管炎［J］.中华医学杂志，2001，81（10）：622-624.

［12］ "常树森，杨尉，宋荷花，等.胫骨横向骨搬移技术联合改良神经松解术治疗糖尿病足溃疡［J］.中国修复重建外科杂志，2023，37 （11）：1410-1417.

［13］ "陈文龙，康鹏德.改良外固定架胫骨横向骨搬移联合负压封闭引流技术治疗糖尿病足的临床疗效观察［J］.中国骨与关节杂志，2023，12 （10）：755-759.

［14］ "武黎，黄英.胫骨横向搬移术治疗重度糖尿病足及其骨髓干细胞动员的机制研究［D］.南宁：广西医科大学，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］ "赵劲民，李刚.胫骨横向骨搬移技术治疗糖尿病足的专家共识（2020）［J］.中国修复重建外科杂志，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］ "于泽铭.基于CT数据人股骨及股骨瓣制取术后供区有限元建模分析［D］.北京：北京协和医学院，2023.

（收稿日期：2024-09-03 修回日期：2024-10-18）

（编辑：潘明志）

基金项目：国家自然科学基金（82160907）

第一作者简介：涂振阳，男，住院医师，医学硕士，研究方向：骨肿瘤与脊柱骨关节疾病。E-mail：286068616@qq.com

通信作者：唐强。E-mail：1379@ymun.edu.cn

［本文引用格式］涂振阳，蓝常贡，唐盛斐，等.Ilizarov胫骨横向搬移术4种截骨方式的有限元分析［J］.右江医学，2024，52（12）：1079-1084.