程邦君,趙登秋(上海市第六人民醫(yī)院金山分院骨科，上海 0599;上海健康醫(yī)學(xué)院附屬周浦醫(yī)院外科；通訊作者,E-mail:zgzhlc68@sina.com)

膝關(guān)節(jié)的骨性關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)在人體所有骨性關(guān)節(jié)疾病中發(fā)病率最高，尤其好發(fā)于中老年人群，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在60歲的人群中有約一半的人罹患膝骨關(guān)節(jié)炎，而在75歲以上的人群卻高達(dá)80%，其常出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、畸形等癥狀，使老年患者生活質(zhì)量明顯受到影響。其中內(nèi)側(cè)間室性骨關(guān)節(jié)炎(medial compartmental osteoarthritis,MCOA)的發(fā)病率約74%[1]。對于以內(nèi)側(cè)間室性骨關(guān)節(jié)炎為主的“年輕”患者(小于65歲)，單髁置換或全膝置換均存在創(chuàng)傷較大以及遠(yuǎn)期假體磨損松動等方面的問題。脛骨高位截骨術(shù)(high tibial osteotomy,HTO)最早在19世紀(jì)60年代由Jackson首先提出,該手術(shù)旨在通過在脛骨近端進(jìn)行高位截骨，將下肢力線從膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室轉(zhuǎn)移到正常的膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室，從而達(dá)到緩解關(guān)節(jié)疼痛、減輕關(guān)節(jié)炎癥狀并延長膝關(guān)節(jié)壽命的目的[2,3]；在當(dāng)今臨床，該術(shù)式已成為治療內(nèi)側(cè)間室性骨關(guān)節(jié)炎的“良方利劍”。而對于不同截骨角度下是否植骨及截骨角度超過多少需植骨，目前仍有爭論[4-6]，本研究通過計算機(jī)三維有限元技術(shù)來分析研究對于單純內(nèi)側(cè)間室性骨關(guān)節(jié)炎患者行脛骨高位截骨術(shù)時，脛骨內(nèi)側(cè)不同截骨角度下的生物學(xué)特性。

1 資料與方法

1.1 材料及軟件

選擇5例截骨角度分別在8°，10°，12°，14°和16°的內(nèi)側(cè)間室性膝骨關(guān)節(jié)炎病例，分別行脛骨內(nèi)側(cè)高位截骨術(shù)，提取術(shù)后CT超薄層平掃資料；選擇1例健康成人膝關(guān)節(jié)行64排螺旋CT掃描，掃描層厚0.625 mm，床進(jìn)速度為1.3 mm/s，球管電流與電壓為500 mA和120.0 kV，得到數(shù)據(jù)均保存為Dicom格式；選用Mimics 19．0、Geomagic 2013、Hypermesh14.0、Solidworks 2014等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 脛骨近端和內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型的建立

將Dicom格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimicsl9.0軟件，通過灰度值調(diào)整、多層編輯、區(qū)域增長等命令使二維CT圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體圖像，將三維模型以STL文件格式導(dǎo)出；然后將三維模型導(dǎo)入Geomagic 2013，對其進(jìn)行參數(shù)化曲面，構(gòu)建出Nurbs曲面，最后整體導(dǎo)出IGES格式，在Solidworks中根據(jù)鋼板實(shí)際幾何尺寸進(jìn)行鋼板和螺釘?shù)慕?，建立好的模型以IGES格式導(dǎo)出；將脛骨近端和內(nèi)固定系統(tǒng)IGES文件導(dǎo)入3-matic 11.0中進(jìn)行位置裝配，調(diào)整內(nèi)固定至合適位置，然后一起導(dǎo)入到Hypermesh14.0中進(jìn)行有限元網(wǎng)格處理，骨和內(nèi)固定的網(wǎng)格密度都設(shè)置為1 mm，然后利用Tetramesh功能進(jìn)行三維網(wǎng)格建立，構(gòu)建出線性四面體網(wǎng)格；所有模型以inp格式導(dǎo)入Abaqus6.13中進(jìn)行仿真分析(見圖1)。

A.Mimics中建立脛骨模型，以STL格式導(dǎo)出；B.STL脛骨模型導(dǎo)入Geomagic軟件進(jìn)行Nurbs曲面化，以IGES格式導(dǎo)出；C.IGES文件導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、截骨；D.建立不同截骨角度;E.在Solidworks軟件中建立鋼板和螺釘三維模型；F.將骨折和鋼板模型導(dǎo)入3-matic軟件進(jìn)行裝配；G.裝配好的模型三維網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置和計算；H.計算結(jié)果圖1 脛骨近端有限元模型的建立及計算過程Figure 1 The establishment and calculation process of the finite element model of the proximal tibia

1.3 建立5個角度的鋼板內(nèi)固定模型

將脛骨三維模型按不同截骨角度進(jìn)行切割構(gòu)建不同截骨角度的高位截骨模型，在脛骨平臺關(guān)節(jié)面下2 cm、脛骨結(jié)節(jié)上方水平截骨，保留外側(cè)骨皮質(zhì)，保留脛骨結(jié)節(jié)，構(gòu)建不同截骨角度的脛骨近端鋼板固定模型。脛骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，所有骨假設(shè)為各向同性、線彈性材料，皮質(zhì)骨彈性模量17 GPa，彈性模量0.33，松質(zhì)骨彈性模量5 GPa，彈性模量0.33。鋼板及螺釘材料屬性設(shè)置為鈦合金，彈性模量設(shè)置為110 GPa，泊松比為0.3。鋼板固定高位截骨有限元模型。

1.4 設(shè)置載荷加載

將脛骨遠(yuǎn)端固定，脛骨近端內(nèi)外側(cè)分別加載480 N和720 N的載荷模擬2倍成年人單足站立或輕度運(yùn)動時膝關(guān)節(jié)承受的壓應(yīng)力(體質(zhì)量60 kg)。加載應(yīng)力方式為垂直于脛骨平臺下約2 cm處的截骨面處的軸向加壓，載荷施加方向同脛骨力學(xué)軸方向一致，力的作用點(diǎn)位于脛骨截骨處。分別觀察脛骨截骨角度在8°，10°，12°，14°和16°時，脛骨近端的總體應(yīng)力和位移情況及鋼板的應(yīng)力和位移情況。本實(shí)驗(yàn)中忽略膝關(guān)節(jié)肌肉韌帶力，關(guān)節(jié)軟骨、半月板等介質(zhì)的摩擦力及動力沖擊等因素。

2 結(jié)果

將脛骨遠(yuǎn)端固定，在脛骨近端內(nèi)外側(cè)分別加載480 N和720 N的載荷，脛骨截骨角度在8°，10°和12°時，脛骨近端的總體應(yīng)力和位移相關(guān)數(shù)據(jù)接近，基本無差別；鋼板的應(yīng)力和位移的相關(guān)數(shù)據(jù)也比較接近，差別不大(見圖2,表1)。當(dāng)截骨角度超過12°時，截骨角度在14°和16°時，脛骨近端的總體應(yīng)力和位移隨著截骨角度的增大而增加；鋼板的應(yīng)力和位移也隨著截骨角度的增大而增大(見圖2,表1)。

a-e分別為8°，10°，12°，14°，16°的總體應(yīng)力；f-j分別為8°，10°，12°，14°，16°的鋼板應(yīng)力；A-E分別為8°，10°，12°，14°，16°的總體位移；F-J分別為8°，10°，12°，14°，16°的鋼板位移圖2 不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應(yīng)力和位移圖Figure 2 Diagram of overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate at different osteotomy angles

表1 不同截骨角度下脛骨近端及接骨板的總體應(yīng)力和位移

3 討論

隨著中國老齡化的不斷進(jìn)展，KOA的發(fā)病率和致畸率都在不斷增高。KOA是由多因素導(dǎo)致的慢性膝關(guān)節(jié)疾病，多見于中老年人，其病理特點(diǎn)是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變和關(guān)節(jié)周圍繼發(fā)性骨質(zhì)增生[7]。目前臨床對其治療主要采用對癥性保守治療和手術(shù)治療，但保守治療對于癥狀重者效果欠佳，而膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后短期功能效果欠佳，同時還可能發(fā)生感染、假體周圍骨折、假體失效等相關(guān)并發(fā)癥[8-10]。21世紀(jì)以來，在保膝理念影響下，KOA階梯治療的規(guī)范，隨著手術(shù)技術(shù)的進(jìn)步，新型內(nèi)固定材料的不斷研發(fā)，膝骨關(guān)節(jié)炎的治療方法取得迅速的發(fā)展[11,12]。目前,脛骨高位截骨術(shù)(HTO)已成為治療“年輕”的、伴有內(nèi)翻畸形的、內(nèi)側(cè)單間室的、不合并半月板及韌帶損傷的骨關(guān)節(jié)炎的首選方法。尤其是脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨術(shù)，由于其具有手術(shù)學(xué)習(xí)曲線較短、傷口小、力線調(diào)整方便、糾正畸形精準(zhǔn)、腓總神經(jīng)損傷發(fā)生率低、骨質(zhì)流失少、不導(dǎo)致肢體短縮及Ⅱ期幾乎不影響關(guān)節(jié)置換等優(yōu)勢被日常臨床所首選[13]。但是脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨由于內(nèi)側(cè)截骨撐開后，存在楔形骨缺損，并且隨著撐開角度越大，骨缺損容積越大，潛在不愈合可能性增高，據(jù)報道發(fā)生延遲愈合或不愈合的發(fā)生率在0～35%之間[14]。

目前對于脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨在是否植骨及多大截骨角度植骨方面眾說紛紜。朱旭等[15]通過研究認(rèn)為內(nèi)側(cè)撐開截骨角度較大時需行植骨術(shù)，如不植骨楔形骨缺損處發(fā)生骨折愈合問題的比例約為1%～7%左右，但其對多大截骨角度需植骨未做進(jìn)一步說明。國內(nèi)學(xué)者徐亞風(fēng)等[16]通過對43例KOA患者行內(nèi)側(cè)脛骨開放性高位截骨的植骨和不植骨對比研究發(fā)現(xiàn)二者無統(tǒng)計學(xué)差異，且所有患者截骨角度無丟失。Han等[17]從放射學(xué)角度研究發(fā)現(xiàn)，植骨組和未植骨組在術(shù)后骨延遲愈合、骨不連和矯正角度丟失率方面沒有差異。但以上二位學(xué)者的截骨面撐開高度均未超過12 mm。李珂等[18]在研究中對平均截骨面撐開高度為(11.4±3.4)mm的病例均行植骨術(shù)，取得良好效果。Aryee等[19]通過研究建議對肥胖者、吸煙者、內(nèi)側(cè)撐開高度超過10 mm者，在截骨間隙需要植骨填補(bǔ)骨缺損。Spahn[20]認(rèn)為撐開角度超過12°時需要植骨。EI-Assal等[21]則認(rèn)為當(dāng)截骨高度>14 mm時進(jìn)行骨移植或使用人工骨。郇松瑋等[22]研究發(fā)現(xiàn)，對于骨質(zhì)良好、截骨撐開角度15°以內(nèi)的患者均不需植骨，術(shù)后未發(fā)生內(nèi)固定失敗、截骨不愈合等并發(fā)癥。李朋斌等[23]通過研究認(rèn)為，截骨撐開角度<18°情況下均不需植骨，當(dāng)撐開≥18°則建議植骨，植骨有利于增加截骨術(shù)后力學(xué)穩(wěn)定性，促進(jìn)截骨處愈合，防止愈合不良及骨不連。但國外學(xué)者Zorzi等[24]研究則發(fā)現(xiàn)脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨術(shù)是否植骨不影響術(shù)后療效。

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，將脛骨遠(yuǎn)端固定，脛骨近端內(nèi)外側(cè)分別加載480 N和720 N的載荷下，當(dāng)截骨角度在8°，10°和12°時，脛骨近端的總體應(yīng)力和位移、鋼板的應(yīng)力和位移都比較接近，差別不大。說明當(dāng)截骨角度≤12°時，其截骨術(shù)后脛骨近端整體和內(nèi)固定均穩(wěn)定，截骨楔形骨缺損處愈合高，可以早日行功能鍛煉，術(shù)后發(fā)生骨延遲愈合或不愈合的概率非常低。當(dāng)截骨角度超過12°時，截骨角度在14°和16°時，脛骨近端的總體應(yīng)力和位移、鋼板的應(yīng)力和位移都隨著截骨角度的增大而增大。說明當(dāng)截骨角度>12°后，隨著截骨角度的增加，其截骨術(shù)后脛骨近端整體和內(nèi)固定穩(wěn)定性逐漸變差，截骨楔形骨缺損處發(fā)生骨延遲愈合或不愈合的概率逐漸提高，這一結(jié)果可以通過植骨來增強(qiáng)其脛骨近端及內(nèi)固定材料的穩(wěn)定性，來提高其愈合率及早日功能鍛煉，降低手術(shù)失敗的風(fēng)險。國內(nèi)學(xué)者[14]通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)撐開角度大于10°，或伴有外側(cè)“合頁”處骨折行植骨，術(shù)后可以保證骨折愈合，降低矯形角度丟失，早期功能鍛煉。

綜上所述，據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)，在脛骨內(nèi)側(cè)開放性高位截骨手術(shù)時，當(dāng)截骨角度≤12°時，臨床可以選擇不植骨；當(dāng)截骨角度>12°，建議臨床植骨以增加其截骨穩(wěn)定性及防止術(shù)后截骨角度丟失或術(shù)后早期建議制動、延長康復(fù)鍛煉開始時間，降低手術(shù)失敗風(fēng)險。

本研究存在一定的不足：①三維有限元技術(shù)有較高的準(zhǔn)確性，但是它畢竟是通過計算機(jī)技術(shù)模擬而成的一種相對理想化的模型，沒有把關(guān)節(jié)周圍的韌帶、軟組織等包括在內(nèi)，與日常臨床仍有較大差距；②本研究未設(shè)計對照組植骨有限元分析；③截骨角度選擇較少，數(shù)據(jù)可能存在偏移。因此，本課題還需進(jìn)一步研究，多增加不同的截骨角度及增加對照組，以求得到更加可靠、全面的結(jié)論。