宋登新，曹云，何小文，丁徐，易成臘

(1.上海市第一人民醫(yī)院寶山分院骨科，上海 200940；2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院創(chuàng)傷外科，武漢 430030)

1 引 言

小腿截肢是一種十分常見的手術(shù)，隨著假肢技術(shù)的不斷進(jìn)步，患者對殘肢的利用度越來越高，完善的截肢技術(shù)對患者的生活質(zhì)量起著重要的作用。傳統(tǒng)小腿截肢與骨肌肉成形切斷術(shù)，是小腿經(jīng)脛腓骨截肢手術(shù)的兩類方法[1-3]，但其力學(xué)特點(diǎn)尚未見報道。本研究利用有限元分析，研究這兩種小腿截肢術(shù)后脛腓骨遠(yuǎn)端應(yīng)力—位移分布規(guī)律，尋找符合生物力學(xué)原理的小腿截肢方法，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗動物與分組

6～9月齡的健康山羊12只。雌雄不限，體重20～25 kg，隨機(jī)分為實驗組和對照組，每組6只。實驗過程中對動物處置符合動物倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 模型制作

術(shù)前動物禁食水24 h，肌肉注射速眠新0.1 ml/kg麻醉。

2.2.1傳統(tǒng)小腿截肢術(shù) 在截骨平面的稍下方切斷脛骨四周肌肉。結(jié)扎、切斷血管和神經(jīng)。暴露朗非節(jié)(腓骨)，在脛骨截骨面下環(huán)形切開骨膜，鋸斷脛骨，縫合傷口。

2.2.2骨肌肉成形切斷術(shù) 在截骨平面遠(yuǎn)端約7～8 cm處，將脛骨縱形切開，保留0.6～0.8 cm厚內(nèi)側(cè)骨面及其附著的骨膜和肌肉組織，切斷后旋轉(zhuǎn)脛骨遠(yuǎn)端的骨橋，多余脛骨部分切斷并旋轉(zhuǎn)與朗非節(jié)縫合固定(模擬人的腓骨)。術(shù)后3 d，每日肌肉注射青霉素80萬單位。兩組在同一生長環(huán)境下飼養(yǎng)六個月后，通過肌肉注射苯巴比妥處死動物，留取新鮮脛腓骨標(biāo)本。將新鮮標(biāo)本取材后用雙層保鮮塑料袋封閉，置于-20℃恒溫冰柜冷凍保存，在該溫度下保存標(biāo)本、骨與韌帶的生物力學(xué)特性無改變。

2.3 建模

2.3.1建模主要設(shè)備與軟件 螺旋CT (Siemens somatom sesation 40)；HP工作站(基本配置：CPU 2．8GHZ，內(nèi)存2G，硬盤400GB)：Simpleware 6.0和Abaqus 6.12有限元分析軟件。

2.3.2三維有限元模型的建立 取兩組羊脛腓骨標(biāo)本，進(jìn)行CT斷層成像，在CT掃描過程中標(biāo)本在脛骨縱軸方向上保持不動，由近端向遠(yuǎn)端進(jìn)行掃描，掃描層厚為0.6 mm，層間距0.6 mm。床進(jìn)速度為1.3 mm/s，球管電流與電壓為275 mA和120.0 kV。將掃描得到的Dicom數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Jpg格式保存。分別將兩組CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Simpleware6.0中，在ScanIP模塊中進(jìn)行圖像的分割處理，建立了兩個不同模型相應(yīng)的肌肉及套筒圖像，并將處理完成的圖像轉(zhuǎn)化成三維模型，設(shè)置材料屬性、接觸關(guān)系等參數(shù)并對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及接觸設(shè)定。最后輸出inp格式的文件，以供有限元軟件進(jìn)行仿真分析。見圖1、圖2。

圖1 骨肌肉成形切斷術(shù)仿真有限元模型

圖2 傳統(tǒng)小腿截肢術(shù)仿真有限元模型

采用三維十節(jié)點(diǎn)四面體實體單元網(wǎng)格化。假設(shè)脛腓骨均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，羊的腓骨：1.1×104 Mpa，泊松比為0.2；脛骨：1.7×104 Mpa，泊松比為0.3；肌肉：0.1 Mpa，泊松比為0.3；套筒：1.9×105 Mpa，泊松比為0.31。

2.3.3建立計算模型 按照本課題設(shè)計要求和建模原則對脛腓骨標(biāo)本進(jìn)行仿真模擬，分別建立傳統(tǒng)的小腿截肢和骨肌肉成形切斷術(shù)的有限元計算模型。將兩組標(biāo)本inp格式的文件導(dǎo)入Abaqus中，添加載荷和邊界條件，進(jìn)行有限元計算分析，輸出受力分布云圖，位移云圖等數(shù)據(jù)。

2.3.4載荷及邊界條件 正常站立位，脛骨干長軸與人體中軸線平行。加載條件為對脛骨近端施加沿人體中軸線的軸向載荷。通過模擬人單足站立時生理應(yīng)力做加載，具體數(shù)值為600 N。邊界條件為脛腓骨遠(yuǎn)端完全固定，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。套筒底部球面區(qū)域添加固定端約束。肌肉與套筒，肌肉與腓骨，肌肉與脛骨添加接觸。

3 結(jié)果

建立完整的骨肌肉成形切斷術(shù)和傳統(tǒng)的小腿截肢術(shù)脛腓骨遠(yuǎn)端三維有限元模型，對兩組標(biāo)本定義相同的單元類型，施加相同的約束條件，分別計算出脛腓骨遠(yuǎn)端位移和應(yīng)力值，應(yīng)力值的單位是Mpa，位移值的單位是m，見圖3～圖6(只列出抗壓縮載荷)。

圖3 骨肌肉成形切斷術(shù)抗600N垂直載荷脛腓骨的位移圖

Fig3Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

圖4 傳統(tǒng)小腿截肢術(shù)抗600N垂直載荷脛腓骨的位移圖

Fig4Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

圖5 骨肌肉成形切斷術(shù)抗600N垂直載荷脛腓骨的應(yīng)力云圖

Fig5Thestressmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

圖6 傳統(tǒng)小腿截肢術(shù)抗600N垂直載荷脛腓骨的應(yīng)力云圖

Fig6Thestressmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

3.1 兩組模型加載600 N載荷時位移變化

脛腓骨遠(yuǎn)端最大相對位移在對抗內(nèi)收、外展和旋轉(zhuǎn)載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、壓縮載荷時骨肌肉成形切斷術(shù)最大相對位移比傳統(tǒng)組小，兩組差別有顯著性(P<0.05)；脛腓上聯(lián)合的相對位移在對抗壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗伸直、屈曲、外展載荷時骨肌肉成形切斷術(shù)的脛腓上聯(lián)合的相對位移比傳統(tǒng)組小，對抗內(nèi)收載荷時骨肌肉成形切斷術(shù)的脛腓上聯(lián)合的相對位移比傳統(tǒng)組大，差別有顯著性(P<0.05)。

3.2 兩組模型加載600 N載荷時應(yīng)力變化

腓骨所承受的應(yīng)力在對抗內(nèi)收載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷時骨肌肉成形切斷術(shù)的腓骨的所承受應(yīng)力增加，差別有顯著性(P<0.05)；脛腓上聯(lián)合所承受的應(yīng)力在對抗內(nèi)收載荷時差別也無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷時骨肌肉成形切斷術(shù)的脛腓上聯(lián)合所承受的應(yīng)力減少，差別有顯著性(P<0.05)，見表1～表4。

表1 脛腓骨相對最大位移(m)

表2 脛腓上聯(lián)合的相對位移 (m)

表3 腓骨應(yīng)力變化(MPa)

表4 脛腓上聯(lián)合應(yīng)力變化(MPa)

4 討論

近年來，由于外傷和疾病所致截肢患者數(shù)量逐年增多，截肢給患者身體和精神上造成痛苦和不便，給家庭和社會帶來直接的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]，據(jù)2007年美國統(tǒng)計，64.6%的下肢截肢都是小腿經(jīng)脛腓骨截肢[5]。截肢后，殘肢的遠(yuǎn)端通過接觸假肢的套接部承受體重，體重載荷傳遞模式是殘肢發(fā)揮功能的重要保證[6-7]。小腿截肢和假肢的理論技術(shù)不斷更新[8-9]，完善的截肢技術(shù)可以使患者更好的利用假肢，明顯提高生活質(zhì)量[10-11]。Ertl于1949年提出“骨肌肉成形切斷術(shù)”，利用骨或骨膜成形技術(shù)來閉合脛骨骨髓腔和融合脛腓骨獲得一個穩(wěn)定的肢體遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)[12-13]，與傳統(tǒng)小腿截肢術(shù)一起構(gòu)成小腿經(jīng)脛腓骨截肢手術(shù)的兩種主要技術(shù)，但目前，其力學(xué)特點(diǎn)尚未見報道，也無相關(guān)的研究來指導(dǎo)其臨床應(yīng)用。

針對目前情況，本研究利用三維有限元分析小腿截肢殘留的脛腓骨應(yīng)力和位移情況，通過模擬人單足站立對抗屈曲、伸直、外展、內(nèi)收、壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷時，觀察對比兩種手術(shù)標(biāo)本中脛腓骨最大相對位移、脛腓上聯(lián)合的相對位移、腓骨和脛腓上聯(lián)合的應(yīng)力來研究傳統(tǒng)小腿截肢與骨肌肉成形切斷術(shù)殘肢的力學(xué)特點(diǎn)。本研究數(shù)據(jù)顯示：在相同的負(fù)載條件下，骨肌肉成形切斷術(shù)殘端在對抗屈曲、伸直、壓縮載荷時脛腓骨之間的最大相對位移比傳統(tǒng)截肢術(shù)明顯減少；在對抗屈曲、伸直、外展載荷時脛腓上聯(lián)合的相對位移比傳統(tǒng)截肢術(shù)明顯減少，僅僅在對抗內(nèi)收載荷時脛腓上聯(lián)合的相對位移比傳統(tǒng)截肢術(shù)有所增加；在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷中腓骨所承受的應(yīng)力比傳統(tǒng)截肢術(shù)明顯增加，同時脛腓上聯(lián)合所承受的應(yīng)力比傳統(tǒng)截肢術(shù)明顯減少。

本研究結(jié)果提示骨肌肉成形切斷術(shù)殘肢骨骼生物力學(xué)優(yōu)于傳統(tǒng)的小腿截肢，主要體現(xiàn)在對抗屈曲、伸直、壓縮時脛腓骨之間的相對位移??；在對抗屈曲、伸直、外展時脛腓上聯(lián)合的相對位移??；在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉(zhuǎn)中腓骨和脛腓上聯(lián)合的應(yīng)力均優(yōu)于傳統(tǒng)截肢患者，而傳統(tǒng)截肢患者僅僅在對抗內(nèi)收載荷時脛腓上聯(lián)合的位移較小。因此，我們認(rèn)為骨肌肉成形切斷術(shù)利用融合脛腓骨獲得一個承重的肢體遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)，使患者在利用假肢行走時，提供更大的假肢接觸面分散接觸應(yīng)力，增加腓骨承受力并穩(wěn)定上脛腓聯(lián)合，消除腓骨在受力時存在的不穩(wěn)定，具有良好的生物力學(xué)效果。

小腿經(jīng)脛腓骨截肢殘端的實際受力情況是多種載荷的疊加，較為復(fù)雜，本研究將羊骨簡化為彈性材料，并忽略了肌肉韌帶因素的影響，與實際情況有所偏差，但這種簡化和省略是必要和可行的，通過有限元法研究小腿殘端脛腓骨受力和位移情況，指導(dǎo)小腿截肢的應(yīng)用，具有重要臨床意義。