有限元分析技术在内侧开放性楔形胫骨高位截骨术研究中的应用进展

李清瀚，王大麟 (北华大学临床医学院，吉林 吉林 132000)

随着计算机技术的发展，骨科学在不断产生新的科研理念，数字化有限元分析技术因其精准性、高效性和低成本性得到了广泛推广。本文就有限元分析技术在开放楔形胫骨高位截骨术研究中的应用与发展做一综述，并提出现阶段可能存在的问题及对未来发展方向的展望。

1 开放楔形胫骨高位截骨术

近年国内膝关节骨关节炎“阶梯治疗”理念深入人心，胫骨高位截骨术(HTO)已成为保膝性手术治疗的常用术式。HTO属于膝关节周围截骨术的一种，该术式通过纠正下肢力线，改变胫骨平台负重，降低内侧间室的压力，减缓骨性关节炎的进展，是治疗伴有膝内翻的膝关节骨性关节炎保膝性手术的首选术式[1]。HTO根据截骨后截骨平面是否接触，分为内侧开放性楔形 HTO(OWHTO)与外侧闭合性楔形 HTO(CWHTO)。自HTO被报道[2]始，长期以来CWHTO都作为首选方案，因为该种方案能够提供较高的稳定性。但随着内固定技术的发展，特别是强生公司发明了专门用于膝关节周围截骨的TomoFix系列产品后，联合该系列产品的OWHTO开始逐步流行起来[3]。与传统的CWHTO相比，联合了TomoFix锁定内固定系统的OWHTO有更好的稳定性，且避免了腓总神经的症状，同时提供了更精确的矫正效果和更早的康复锻炼时间，可以最大限度地保留患者膝关节的运动功能[4]。

王兴山等[5]总结了国内常用的OWHTO手术方案，即采用单平面内侧开口楔形截骨术，由鹅足止点向上胫腓联合置入 2 枚刚好穿过外侧皮质的克氏针，第一枚克氏针靠近胫骨后方，同一高度、距 2 cm 处置入第二枚克氏针，第一截骨面起自胫骨后缘至胫骨中前1/3，紧贴鹅足止点近端始，沿克氏针方向于克氏针远端截骨，保留1 cm左右的外侧皮质，第二截骨面起自胫骨结节后方至胫骨中前1/3，与胫骨嵴平行并与第一截骨平面呈 110° 左右夹角，用摆锯和截骨刀制造截骨楔，并置入内固定钢板，其间根据术中具体情况决定是否在撑开处植骨。OWHTO不仅为第四阶段的TKA保留了骨量，也能为患者最大限度地保留运动能力。

2 膝关节应用有限元分析技术的历史

有限元分析法最初是在二十世纪五十年代作为处理固体力学问题的方法出现的，是随着计算机的发展而迅速发展的一种现代数值计算分析方法。Brekelma等[6]于1978年首次提出通过有限元分析技术研究骨骼的机械学行为，对于膝关节的有限元分析，Bendjaballah等[7]以CT影像为模版，首次完成了对膝关节有限元模型的构建，Pea等[8]以CT影像和MRI影像为模板，完善了膝关节有限元模型的构建，这种模型很好地构建了韧带等软组织。膝关节有限元模型的建立包括：采集原始图像；优化模型；赋予目的特征；划分有限元网格；设定属性及参数；确定边界条件；进行有限元分析和求解。CT对骨组织的分辨率较高，而MRI对半月板、软骨、韧带等组织有较高的分辨率，两种成像方式对于膝关节成像的敏感性互补，为提高数据采集的准确性，目前多采取CT及MRI联合进行图像采集。通过图像处理软件(Mimics等)，将采集的原始图像数据(DICOM格式)进行初步骨骼模型的重建，并通过逆向工程软件(Geomagic等)对模型的多余特征进行处理，并优化、光滑模型。通过计算机辅助设计(CAD)三维软件(Solidwork等)，对模型进行目的特征赋予，如骨骼与内固定、假体之间的装配，对骨折线、畸形的模拟等。CAD三维软件同样可以完成有限元网格的划分，网格的细化程度直接影响到计算精度和计算规模。材料属性和参数的设置，同样在CAD三维软件中完成。综合文献，将有限元模型的材料参数汇于表1，一般设定骨性结构为刚体，设定半月板为横向同性材料，设定关节软骨为连续、均质、各向同性单相线弹性材料，设定韧带结构为超弹性、各向同性材料[9-11]。准确的有限元分析需要在建模中赋予适宜的边界条件，如王光达等[12]研究认为膝关节的运动共有 6 个自由度控制，不同的膝关节有限元分析，模拟的条件不同，边界设定的条件也不同。见表1。

表1 膝关节有限元模型的材料参数

3 HTO应用有限元分析技术的案例

近年，有限元分析在HTO领域应用的主要方向是对新型术式的探讨和对并发症预防新理念的研究。Diffo与Boström等[13-14]的研究都通过有限元的方法探讨了一项防治铰链骨折并发症的新技术——顶端钻孔技术。顶端钻孔技术是已被证实的可以降低LHF发生的方法之一，2002年，Kessler等[15]首次在OW-HTO截骨楔的顶端额外制造了一个前后贯通胫骨的钻孔，通过分散铰链周围应力防止铰链皮质的骨折，这一技术称为铰链顶端钻孔(Apical Drill Hole)技术。 Diffo等[13]的研究验证了这一说法，其研究通过有限元分析法证明了截骨顶端钻孔减少了外侧皮质的应力，这使铰链骨折发生的几率下降，也增加了校正角度较小的标本在外侧皮质破裂之前的临界打开角度。该试验设计了三组年龄(平均年龄、低龄、老龄)的骨皮质模型参数，结果示顶端钻孔在老龄组的应力改变不大，是否进行顶端钻孔铰链应力改变差别不大。其研究还对比两种不同钻孔设计的效果，其中一种钻孔设计在了截骨线的延伸线上，另一种位于截骨线的上方，通过对比二者的作用效果，得出设计沿截骨线钻孔可以达到更好的分散负载效果。钻孔的最佳直径同样是其研究的热点之一，Boström等[14]通过有限元法，对比了不同直径钻孔分散应力的情况，其研究表明，当铰链大小固定，对比直径为2 mm、4 mm和6 mm的钻孔，4 mm组分散铰链周围应力的效果最佳，且在大小为10 mm的铰链顶端做一直径为4 mm的钻孔，可以最大限度地分散水平和垂直方向的应力，降低LHF发生的风险。Kessler等[15]研究认为，直径为5 mm的顶端钻孔是匹配宽度为10 mm的铰链可以达到最佳的分散应力效果。但在制造5 mm钻孔的同时，如何保持大小为10 mm外侧铰链的完整性是困难的，因为该试验无法模拟骨皮质断裂的情况[16-19]。该试验同时表明，顶端钻孔具有一定意义，但不是决定性因素，在撑开截骨间隙较大的情况下，钻孔可能会导致铰链的断裂。

Yang等[11]应用有限元分析技术验证了对置拉力螺钉理念的有效性。对置拉力螺钉技术是Paccola和Fogagnolo[17]提出的一种手术理念，作为已铰链骨折的OWHTO的补救方法[20-22]。该手术从外侧皮质向内侧钢板插入补充经皮拉力螺钉，在完成OWHTO后，透视下在靠近截骨顶点的部位经皮质插入一枚半螺纹松质骨拉力螺钉，螺钉从靠近外侧皮质的截骨顶点开始，通向胫骨内侧平台的边缘。Yang等[11]通过设计一向有限元试验，对比了皮质螺钉和松质螺钉作为拉力螺钉的效果，并对皮质螺钉的最佳长度进行了探讨。该试验设计了长度为6.5 mm的松质骨螺钉、6.5 mm的皮质骨螺钉和8.0 mm的皮质骨螺钉，试验结果显示，拉力螺钉可以更有效降低胫骨平台后外侧的负重，降低截骨后胫骨复位缺失的概率，而拉力螺钉增加了钢板锁定螺钉的应力，截骨平片以上的锁定螺钉应力增加尤为显著，且拉力螺钉经过预张拉力处理后可以更有利于避免HTO后内侧复位的丢失[23-24]。通过横向铰链骨折模型的生物力学试验进一步验证，与未修复横向铰链骨折的HTO模型相比，插入拉力落定的模型结构刚度有显著改善，这些拉力螺钉不但可以很容易地恢复外侧皮质的连续性，而且在截骨术内固定后骨桥完整的情况下，能够防止潜在的外侧皮质铰链的断裂[25]。

4 总结与展望

有限元分析技术因其可以施加不同的负荷、材料属性、边界条件，对应力、应变、刚度、位移情况等进行分析,解决了传统的骨科力学研究的有创性、环境影响很大、费用高、耗时长的问题，成为重要的科研工具。在OWHTO的研究中，有限元分析技术可以对膝关节骨性关节炎的“阶梯治疗”提供力学分布的分析，可以对远期关节病变的进展做出预测，对膝关节内部应力的影响进行分析应是未来膝关节周围截骨术的研究方向。同时要与临床试验、传统生物力学试验及动物试验相结合，将更多的研究成果有效地应用于临床实践。