腓骨高位截骨术中腓骨截骨的高度对膝关节骨性关节炎患者膝关节内应力影响的有限元分析

黄道强，蔡志海，王小平，2，陈路遥，屠玉民★

（1.南方医科大学附属小榄人民医院骨一科，广东 中山 528415；2.南方医科大学第二临床医学院骨一科，广东 广州510000）

膝关节骨性关节炎是中老年人群常见的一种退行性骨关节疾病。此病患者的临床表现主要是进行性膝关节疼痛、肿胀、畸形及功能障碍等[1]。目前，临床上对中晚期膝关节骨性关节炎患者主要是进行手术治疗，常用的手术方式包括全膝关节置换术、膝关节单髁置换术和腓骨高位截骨术。目前临床上关于应用腓骨高位截骨术治疗膝关节骨性关节炎的确切生物力学机制尚不明确[2]。本文主要是探讨对膝关节骨性关节炎患者进行腓骨高位截骨术时截骨高度的不同对其膝关节内应力的影响。

1 资料与方法

1.1 试验数据采集

选取1名双侧膝关节骨性关节炎女性患者作为研究对象，采用16排计算机断层扫描（computed tomography，CT）技术和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术对其右膝关节进行检查。

1.2 试验设备

16排螺旋CT机（由美国GE公司生产），1.5T核磁共振机（由德国Siemens公司生产），Geomagic studio 2012逆向工程软件（由美国Raindrop Geomagic公司研发），Hypermesh 14.0有限元网格划分软件（由美国Altair公司研发），Abaqus/standard 6.14有限元分析软件（由美国Dassault systems simulia公司研发）。

1.3 完整膝关节骨性关节炎模型的重建与解剖学验证

将该患者的右膝关节CT和MRI影像数据分别导入Mimics 20.0软件，通过阈值分割分别重建膝关节的骨性结构和软性结构模型，然后采用光顺和网格优化工具得到高质量的三维几何模型。将所有几何模型在Geomagic studio 2012软件中进行实体转化，然后导入Hypermesh 14.0软件中划分实体网格。膝关节软骨和半月板的生物力学改变是本研究的重点观察对象，故将膝关节的软性结构划分为六面体网格，单元大小设置为1.0 mm。模型重建流程详见图1。

图1 完整膝关节骨性关节炎模型重建流程图

1.4 模型材料属性、载荷及边界条件的定义

用各向同性的线弹性材料定义软骨、半月板及骨性结构[3]。骨性结构又分为皮质骨和松质骨，按照不同的骨性结构给予不同的材料属性。用方程表示能量密度[4]。骨间膜和下胫腓联合使用弹簧单元进行模拟。模型的材料属性详见表1。本研究为更好地定义股骨的运动，以模拟患者单足站立时右膝受力的情况，特设立局部坐标系，将股骨内外上髁连线的中点作为应力加载的参考点，加载600 N垂直向下的生理负荷（详见图2b）。限制股骨屈伸方向的运动，模拟膝关节完全伸直的状态。此坐标系中的X轴为股骨内外上髁的连线，Z轴为垂直向上的线，Y轴与XZ平面垂直（详见图2a）。本研究为获得膝关节内外侧间室的接触面积、接触压力和载荷分布，特运用Abaqus/standard软件进行运算，并对比以往相关报道的文献数据，来验证模拟生物力学的有效性。

表1 模型的材料属性

图2 股骨局部坐标系和载荷的定义

1.5 不同高度腓骨截骨的模拟

本研究模拟了5种不同高度的腓骨截骨，截骨骨段的长度均为2 cm。具体截骨部位详见图3。腓骨截骨后断端的愈合过程是：先变成血肿，再变成肉芽组织，最后纤维化形成纤维组织，此过程需要两周左右的时间[5]。

图3 不同腓骨截骨高度模型的建立

2 结果

2.1 完整膝关节骨性关节炎模型的验证

本研究建立的完整膝关节骨性关节炎有限元模型中共有296 264个单元和126 456个节点，包含骨骼、软骨、半月板、韧带、骨间膜等重要结构。内侧半月板有限元模型的体积为1378 mm3，外侧半月板有限元模型的体积为1382 mm3。本研究建立的软骨和半月板模型与真实数据接近，模型真实度高。关节软骨厚度的测量对比结果详见表2。基于600 N轴向应力载荷测得的膝关节内侧间室承受总载荷的58%，外侧间室承受总载荷的42%。膝关节总接触面积为506 mm2，内侧接触面积为301 mm2，外侧接触面积为245 mm2。完整膝关节骨性关节炎软骨接触应力的分布详见图4。

表2 关节软骨厚度的测量对比

图4 完整膝关节骨性关节炎软骨接触应力的分布

2.2 不同高度腓骨截骨的生物力学改变

进行腓骨高位截骨术后，患者膝关节内侧间室的接触应力为3.88 MPa，外侧间室的接触应力为2.44 MPa。术后其膝关节内侧间室的接触应力较术前增加3%，外侧间室的接触应力较术前降低16%；术后其膝关节内外侧间室的接触面积均有所减小，较术前分别减小4 mm2和5 mm2。腓骨截骨高度不同对膝关节内外侧间室应力的改变基本相同。详见图5。

图5 不同截骨高度对应膝关节内外侧间室接触面积和接触应力的关系图

3 讨论

全膝关节置换术、膝关节单髁置换术、腓骨高位截骨术是临床上治疗中晚期膝关节骨性关节炎的有效术式，这三种术式都需要较高的手术技巧，学习曲线均较长[6]。与采用全膝关节置换术、膝关节单髁置换术治疗膝关节骨性关节炎相比，用腓骨高位截骨术治疗此病具有手术操作简单、患者术后恢复快等优点[7]。目前临床上关于腓骨高位截骨术治疗膝关节骨性关节炎的确切生物力学机制尚不明确。本研究通过进行有限元分析发现，对膝关节骨性关节炎患者进行腓骨高位截骨术时，腓骨截骨高度的不同对其外侧胫骨平台的应力基本无影响，但可使内侧胫骨平台的应力减小。但本研究建立的膝关节骨性关节炎模型较为粗糙，缺少膝关节的重要结构，故研究结果存在一定的局限性。Nie等[8]在进行相关的研究时使用的结局指标不是与膝关节骨性关节炎密切相关的软骨应力指标，而是胫骨平台节点平均应力指标，故研究结果也存在一定的局限性。由于本研究未建立下肢肌肉模型（如腓骨长肌模型、比目鱼肌模型），从而导致术后出现膝关节外侧间室应力升高的现象。这也从侧面证实了小腿外侧肌的牵拉对腓骨高位截骨术的疗效有重要影响。进行腓骨高位截骨术时，截骨位置靠下易影响踝关节的稳定性，腓骨中段是较为安全有效的截骨位置。

综上所述，对膝关节骨性关节炎患者进行腓骨高位截骨术时，腓骨截骨高度的不同对其膝关节内应力的影响较为相似，腓骨中段可作为治疗膝关节骨性关节炎较为安全的截骨位置。但该结论缺乏临床数据的支持，需要通过进一步的研究证明该结论的准确性。