黃道強，蔡志海，王小平，2，陳路遙，屠玉民★

（1.南方醫(yī)科大學(xué)附屬小欖人民醫(yī)院骨一科，廣東 中山 528415；2.南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院骨一科，廣東 廣州510000）

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是中老年人群常見的一種退行性骨關(guān)節(jié)疾病。此病患者的臨床表現(xiàn)主要是進(jìn)行性膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、畸形及功能障礙等[1]。目前，臨床上對中晚期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者主要是進(jìn)行手術(shù)治療，常用的手術(shù)方式包括全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)和腓骨高位截骨術(shù)。目前臨床上關(guān)于應(yīng)用腓骨高位截骨術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的確切生物力學(xué)機(jī)制尚不明確[2]。本文主要是探討對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行腓骨高位截骨術(shù)時截骨高度的不同對其膝關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的影響。

1 資料與方法

1.1 試驗數(shù)據(jù)采集

選取1名雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎女性患者作為研究對象，采用16排計算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）技術(shù)和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)對其右膝關(guān)節(jié)進(jìn)行檢查。

1.2 試驗設(shè)備

16排螺旋CT機(jī)（由美國GE公司生產(chǎn)），1.5T核磁共振機(jī)（由德國Siemens公司生產(chǎn)），Geomagic studio 2012逆向工程軟件（由美國Raindrop Geomagic公司研發(fā)），Hypermesh 14.0有限元網(wǎng)格劃分軟件（由美國Altair公司研發(fā)），Abaqus/standard 6.14有限元分析軟件（由美國Dassault systems simulia公司研發(fā)）。

1.3 完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎模型的重建與解剖學(xué)驗證

將該患者的右膝關(guān)節(jié)CT和MRI影像數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Mimics 20.0軟件，通過閾值分割分別重建膝關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)和軟性結(jié)構(gòu)模型，然后采用光順和網(wǎng)格優(yōu)化工具得到高質(zhì)量的三維幾何模型。將所有幾何模型在Geomagic studio 2012軟件中進(jìn)行實體轉(zhuǎn)化，然后導(dǎo)入Hypermesh 14.0軟件中劃分實體網(wǎng)格。膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板的生物力學(xué)改變是本研究的重點觀察對象，故將膝關(guān)節(jié)的軟性結(jié)構(gòu)劃分為六面體網(wǎng)格，單元大小設(shè)置為1.0 mm。模型重建流程詳見圖1。

圖1 完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎模型重建流程圖

1.4 模型材料屬性、載荷及邊界條件的定義

用各向同性的線彈性材料定義軟骨、半月板及骨性結(jié)構(gòu)[3]。骨性結(jié)構(gòu)又分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，按照不同的骨性結(jié)構(gòu)給予不同的材料屬性。用方程表示能量密度[4]。骨間膜和下脛腓聯(lián)合使用彈簧單元進(jìn)行模擬。模型的材料屬性詳見表1。本研究為更好地定義股骨的運動，以模擬患者單足站立時右膝受力的情況，特設(shè)立局部坐標(biāo)系，將股骨內(nèi)外上髁連線的中點作為應(yīng)力加載的參考點，加載600 N垂直向下的生理負(fù)荷（詳見圖2b）。限制股骨屈伸方向的運動，模擬膝關(guān)節(jié)完全伸直的狀態(tài)。此坐標(biāo)系中的X軸為股骨內(nèi)外上髁的連線，Z軸為垂直向上的線，Y軸與XZ平面垂直（詳見圖2a）。本研究為獲得膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室的接觸面積、接觸壓力和載荷分布，特運用Abaqus/standard軟件進(jìn)行運算，并對比以往相關(guān)報道的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，來驗證模擬生物力學(xué)的有效性。

表1 模型的材料屬性

圖2 股骨局部坐標(biāo)系和載荷的定義

1.5 不同高度腓骨截骨的模擬

本研究模擬了5種不同高度的腓骨截骨，截骨骨段的長度均為2 cm。具體截骨部位詳見圖3。腓骨截骨后斷端的愈合過程是：先變成血腫，再變成肉芽組織，最后纖維化形成纖維組織，此過程需要兩周左右的時間[5]。

圖3 不同腓骨截骨高度模型的建立

2 結(jié)果

2.1 完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎模型的驗證

本研究建立的完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎有限元模型中共有296 264個單元和126 456個節(jié)點，包含骨骼、軟骨、半月板、韌帶、骨間膜等重要結(jié)構(gòu)。內(nèi)側(cè)半月板有限元模型的體積為1378 mm3，外側(cè)半月板有限元模型的體積為1382 mm3。本研究建立的軟骨和半月板模型與真實數(shù)據(jù)接近，模型真實度高。關(guān)節(jié)軟骨厚度的測量對比結(jié)果詳見表2?；?00 N軸向應(yīng)力載荷測得的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室承受總載荷的58%，外側(cè)間室承受總載荷的42%。膝關(guān)節(jié)總接觸面積為506 mm2，內(nèi)側(cè)接觸面積為301 mm2，外側(cè)接觸面積為245 mm2。完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨接觸應(yīng)力的分布詳見圖4。

表2 關(guān)節(jié)軟骨厚度的測量對比

圖4 完整膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨接觸應(yīng)力的分布

2.2 不同高度腓骨截骨的生物力學(xué)改變

進(jìn)行腓骨高位截骨術(shù)后，患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的接觸應(yīng)力為3.88 MPa，外側(cè)間室的接觸應(yīng)力為2.44 MPa。術(shù)后其膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的接觸應(yīng)力較術(shù)前增加3%，外側(cè)間室的接觸應(yīng)力較術(shù)前降低16%；術(shù)后其膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室的接觸面積均有所減小，較術(shù)前分別減小4 mm2和5 mm2。腓骨截骨高度不同對膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力的改變基本相同。詳見圖5。

圖5 不同截骨高度對應(yīng)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室接觸面積和接觸應(yīng)力的關(guān)系圖

3 討論

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)、腓骨高位截骨術(shù)是臨床上治療中晚期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的有效術(shù)式，這三種術(shù)式都需要較高的手術(shù)技巧，學(xué)習(xí)曲線均較長[6]。與采用全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎相比，用腓骨高位截骨術(shù)治療此病具有手術(shù)操作簡單、患者術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點[7]。目前臨床上關(guān)于腓骨高位截骨術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的確切生物力學(xué)機(jī)制尚不明確。本研究通過進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行腓骨高位截骨術(shù)時，腓骨截骨高度的不同對其外側(cè)脛骨平臺的應(yīng)力基本無影響，但可使內(nèi)側(cè)脛骨平臺的應(yīng)力減小。但本研究建立的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎模型較為粗糙，缺少膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，故研究結(jié)果存在一定的局限性。Nie等[8]在進(jìn)行相關(guān)的研究時使用的結(jié)局指標(biāo)不是與膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎密切相關(guān)的軟骨應(yīng)力指標(biāo)，而是脛骨平臺節(jié)點平均應(yīng)力指標(biāo)，故研究結(jié)果也存在一定的局限性。由于本研究未建立下肢肌肉模型（如腓骨長肌模型、比目魚肌模型），從而導(dǎo)致術(shù)后出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室應(yīng)力升高的現(xiàn)象。這也從側(cè)面證實了小腿外側(cè)肌的牽拉對腓骨高位截骨術(shù)的療效有重要影響。進(jìn)行腓骨高位截骨術(shù)時，截骨位置靠下易影響踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，腓骨中段是較為安全有效的截骨位置。

綜上所述，對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行腓骨高位截骨術(shù)時，腓骨截骨高度的不同對其膝關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的影響較為相似，腓骨中段可作為治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎較為安全的截骨位置。但該結(jié)論缺乏臨床數(shù)據(jù)的支持，需要通過進(jìn)一步的研究證明該結(jié)論的準(zhǔn)確性。