不同截骨角度下胫骨内侧开放楔形高位截骨未植骨和植骨的有限元分析研究

程邦君 黄燕峰 罗轶

随着国内老龄化的不断进展，膝骨关节炎的发病率正逐年攀升。微创胫骨高位截骨术 （ high tibial osteotomy，HTO ） 以其创伤小、费用低、术者学习曲线短及术后并发症较少等优点，成为当前“保膝”的首选手术方式，尤其适用于内翻畸形伴内侧间室性膝骨关节炎的“年轻”患者 （ ＜ 65 岁 ）。而对于胫骨内侧开放楔形高位截骨在不同截骨角度下楔形截骨处是否植骨及截骨角度超过多少需植骨，目前仍有争论[1-4]。本研究通过计算机三维有限元技术来分析研究胫骨内侧不同截骨角度下楔形截骨处未植骨和植骨的生物力学特性。

资料与方法

一、材料及软件

选择 10 例截骨角度分别在 8°、10°、12°、14°和 16° 的内侧间室性膝骨关节炎、半月板及韧带无损伤的病例，分别行胫骨内侧开放楔形高位截骨术，其中 5 例楔形截骨处未植骨，另外 5 例楔形截骨处行植骨 （ 取自体髂骨植骨 ）。提取术后 CT 超薄层平扫资料；选择 1 例健康成人膝关节 CT 影像数据 （ 层厚 0.625 mm ），均保存为 Dicom 格式数据；选用 Mimics 19.0、Geomagic 2013、Hypermesh 14.0、Solidworks 2014 等软件进行数据分析。

二、胫骨近端和内固定系统三维模型的建立

将 Dicom 格式数据导入 Mimics 19.0 软件，通过灰度值调整、多层编辑、区域增长等命令使二维CT 图像数据转化为三维立体图像，将三维模型以STL 文件格式导出。然后将三维模型导入 Geomagic 2013，对其进行参数化曲面，构建出 Nurbs 曲面，最后整体导出 IGES 格式，在 Solidworks 中根据接骨板实际几何尺寸进行接骨板和螺钉的建模，建立好的模型以 IGES 格式导出。将胫骨近端和内固定系统 IGES 文件导入 3-matic 11.0 中进行位置装配，调整内固定至合适位置，然后一起导入到Hypermesh 14.0 中进行有限元网格处理，骨和内固定的网格密度都设置为 1 mm，然后利用 Tetramesh功能进行三维网格建立，构建出线性四面体网格。所有模型以 inp 格式导入 Abaqus 6.13 中进行仿真分析 （ 图 1 ）。

图1 a：Mimics 中建立胫骨模型，以 STL 格式导出；b：STL 胫骨模型导入 Geomagic 软件进行 Nurbs 曲面化，以 IGES 格式导出；c：IGES文件导入 Hypermesh 软件中进行网格划分、截骨；d：建立不同截骨角度；e：在 Solidworks 软件中建立钢板和螺钉三维模型；f：将骨折和钢板模型导入 3-matic 软件进行装配；g：装配好的模型三维网格划分后导入 Abaqus 软件进行边界条件设置和计算；h：计算结果Fig.1 a: The tibia model was established in mimics and exported in STL format; b: STL tibia model was imported into Geomagic software for NURBS curved surface, and exported in ΙGES format; c: ΙGES files were imported into HyperMesh software for mesh generation and osteotomy; d:Different osteotomy angles were established; e: Three dimensional models of steel plate and screw were established in SolidWorks; f: The fracture and plate models were imported into 3-matic software for assembly; g: The 3D mesh of the assembled model was imported into ABAQUS software to set and calculate the boundary conditions; h: Results of calculation

三、建立 5 个角度的接骨板内固定模型

将胫骨三维模型按不同截骨角度进行切割构建不同截骨角度的高位截骨模型，在胫骨平台关节面下 2 cm、胫骨结节上方 1 cm 处水平截骨，保留外侧骨皮质 1 cm，保留胫骨结节，构建不同截骨角度的胫骨近端接骨板固定模型。胫骨分为皮质骨和松质骨，所有骨假设为各向同性、线弹性材料，皮质骨弹性模量 17 GPa，弹性模量 0.33，松质骨弹性模量 5 GPa，弹性模量 0.33。楔形截骨处所植骨设置为松质骨，其弹性模量 5 GPa，弹性模量 0.33。接骨板及螺钉材料属性设置为钛合金，弹性模量设置为110 GPa，泊松比为 0.3。接骨板固定截骨内侧开放性楔形高位截骨有限元模型。

四、设置载荷加载

将胫骨远端固定，胫骨近端内外侧分别加载480 N 和 720 N 的载荷模拟 2 倍成年人单足站立或轻度运动时膝关节承受的压应力 （ 体重 60 kg ）[5]。载荷施加方向同胫骨力学轴方向一致。

结 果

将胫骨远端固定，胫骨近端内外侧分别加载480 N 和 720 N 的载荷。当截骨角度为 8° 时。楔形截骨处未植骨时：胫骨近端总体应力为 402.2 Mpa，总体位移为 0.916 mm；接骨板总体应力为 402.2 Mpa，总体位移为 0.718 mm。当楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力为 401.2 Mpa，总体位移为 0.908 mm；接骨板总体应力为 401.2 Mpa，总体位移为 0.714 mm。当截骨角度为 10° 时。楔形截骨处未植骨时：胫骨近端总体应力为 405.6 Mpa，总体位移为 0.92 mm；接骨板总体应力为 405.6 Mpa，总体位移为 0.722 mm。当楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力为 403.8 Mpa，总体位移为 0.910 mm；接骨板总体应力为 403.8 Mpa，总体位移为 0.711 mm。当截骨角度为 12° 时。楔形截骨处未植骨时：胫骨近端总体应力为 390.2 Mpa，总体位移为 0.911 mm；接骨板总体应力为 309.2 Mpa，总体位移为 0.718 mm。当楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力为 395.1 Mpa，总体位移为 0.905 mm；接骨板总体应力为 395.1 Mpa，总体位移为 0.713 mm。当截骨角度为 14° 时。楔形截骨处未植骨时：胫骨近端总体应力为 506.7 Mpa，总体位移为 1.170 mm；接骨板总体应力为 506.7 Mpa，总体位移为 0.894 mm。当楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力为 403.2 Mpa，总体位移为 0.913 mm；接骨板总体应力为 403.2 Mpa，总体位移为 0.709 mm。当截骨角度为 16° 时。楔形截骨处未植骨时：胫骨近端总体应力为 516.7 Mpa，总体位移为 1.204 mm；接骨板总体应力为 516.7 Mpa，总体位移为 0.906 mm。当楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力为 397.5 Mpa，总体位移为 0.933 mm；接骨板总体应力为 397.5 Mpa，总体位移为 0.727 mm（ 表 1、2，图 2、3 ）。

表1 楔形截骨处未植骨时，不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移数据表Tab.1 Data table of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate under different osteotomy angles without bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

表2 楔形截骨处植骨后，不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移数据表Tab.2 Data table of overall stress and displacement of the proximal tibia and bone plate under different osteotomy angles after bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

图2 楔形截骨处未植骨时，不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移图示Fig.2 Diagram of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate under different osteotomy angles when two types of internal fixation were used for the treatment of a wedge-shaped osteotomy of the lower tibia without bone grafting

图3 楔形截骨处植骨后，不同截骨角度下胫骨近端及接骨板的总体应力和位移图示Fig.3 Diagram of the overall stress and displacement of the proximal tibia and the bone plate at different osteotomy angles after bone grafting at the wedge-shaped osteotomy

讨 论

近几十年来，在国内外“保膝”思想的影响下，同时由于新型内固定材料的不断研发和手术技术的不断提高，膝骨关节炎的治疗方法取得迅猛的发展[6]。目前，胫骨内侧开放性楔形高位截骨术已成为治疗“年轻”的 （ ＜ 65 岁 ）、伴有内翻畸形的、内侧间室的、不合并半月板及韧带损伤的骨关节炎首选方法。胫骨内侧开放性楔形高位截骨由于内侧截骨撑开后，存在楔形骨缺损，并且随着撑开角度越大，骨缺损容积越大，潜在不愈合可能性增高，有报道其发生不愈合率在 0%～35% 之间[7]。胫骨内侧开放性高位截骨在是否植骨及多大截骨角度下需植骨方面国内外众说纷纭[2-3,8]。王兴山等[9]认为当截骨角度 ＞ 13 mm 时需进行植骨；而后他又在另一篇文章中提到在外侧合页保持完整、截骨面接触良好的情况下，对于不超过 2 cm 的间隙植骨并非必要[10]。李珂等[11]对其研究中截骨面撑开高度为（ 11.4±3.4 ） mm，均行植骨治疗，术后愈合良好。徐亚风等[12]通过其研究发现内侧胫骨高位截骨后未植骨，术后半年截骨处已完全愈合。Aryee 等[13]认为撑开高度超过 10 mm 需要植骨。Spahn[14]认为撑开角度超过 12° 时需要植骨。EI-Assal 等[15]则认为当截骨高度 ＞ 14 mm 时进行骨移植或使用人工骨。Akiyama 等[3]研究发现胫骨内侧开放楔形高位截骨是否植骨不影响术后效果。

本实验研究结果显示，当截骨角度在 8°、10°和 12° 时，楔形截骨处在未植骨和植骨情况下，胫骨近端总体应力和位移及接骨板应力和位移都比较接近，差别不大。说明当截骨角度 ≤ 12° 时，胫骨内侧开放楔形高位截骨术后胫骨近端整体和内固定均稳定，截骨楔形骨缺损处愈合率高，术后可以早日行功能锻炼，其发生不愈合的概率非常小。当截骨角度超过 12° 时，截骨角度在 14° 和 16° 时，在楔形截骨处未植骨时，胫骨近端总体应力和位移及接骨板应力和位移都随着截骨角度的增大而增大；而在楔形截骨处植骨后，胫骨近端总体应力和位移及接骨板应力和位移与截骨角度 ≤ 12° 时相差甚微。说明当截骨角度 ＞ 12° 后，通过在楔形截骨处植骨可以提高胫骨近端整体和内固定稳定性，降低截骨楔形骨缺损处不愈合的发生概率，提高手术成功率，降低手术失败的风险。

虽然三维有限元技术通过计算机技术模拟临床手术技术，有较高的准确性，但它毕竟是通过计算机技术模拟而成的一种相对理想化的模型，没有把关节周围的韧带、软组织等包括在内，与日常临床手术操作仍有较大差距。同时，本研究纳入的样本量较少，没有考虑置钉顺序、置钉深度等相关因素。因此，本课题还需进一步研究，以求得到更加可靠、全面的结论。

综上所述，在胫骨内侧开放楔形高位截骨手术时，当截骨角度 ≤ 12° 时，临床可以不植骨，术后患肢可以早日行功能锻炼；当截骨角度 ＞ 12°，建议楔形截骨处行植骨以增强胫骨近端稳定性，降低手术失败风险。