腓骨高位截骨術中腓骨截骨的高度對膝關節骨性關節炎患者膝關節內應力影響的有限元分析

黃道強，蔡志海，王小平，2，陳路遙，屠玉民★

（1.南方醫科大學附屬小欖人民醫院骨一科，廣東 中山 528415；2.南方醫科大學第二臨床醫學院骨一科，廣東 廣州510000）

膝關節骨性關節炎是中老年人群常見的一種退行性骨關節疾病。此病患者的臨床表現主要是進行性膝關節疼痛、腫脹、畸形及功能障礙等[1]。目前，臨床上對中晚期膝關節骨性關節炎患者主要是進行手術治療，常用的手術方式包括全膝關節置換術、膝關節單髁置換術和腓骨高位截骨術。目前臨床上關于應用腓骨高位截骨術治療膝關節骨性關節炎的確切生物力學機制尚不明確[2]。本文主要是探討對膝關節骨性關節炎患者進行腓骨高位截骨術時截骨高度的不同對其膝關節內應力的影響。

1 資料與方法

1.1 試驗數據采集

選取1名雙側膝關節骨性關節炎女性患者作為研究對象，采用16排計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術對其右膝關節進行檢查。

1.2 試驗設備

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

1.3 完整膝關節骨性關節炎模型的重建與解剖學驗證

將該患者的右膝關節CT和MRI影像數據分別導入Mimics 20.0軟件，通過閾值分割分別重建膝關節的骨性結構和軟性結構模型，然后采用光順和網格優化工具得到高質量的三維幾何模型。將所有幾何模型在Geomagic studio 2012軟件中進行實體轉化，然后導入Hypermesh 14.0軟件中劃分實體網格。膝關節軟骨和半月板的生物力學改變是本研究的重點觀察對象，故將膝關節的軟性結構劃分為六面體網格，單元大小設置為1.0 mm。模型重建流程詳見圖1。

圖1 完整膝關節骨性關節炎模型重建流程圖

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、半月板及骨性結構[3]。骨性結構又分為皮質骨和松質骨，按照不同的骨性結構給予不同的材料屬性。用方程表示能量密度[4]。骨間膜和下脛腓聯合使用彈簧單元進行模擬。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，特設立局部坐標系，將股骨內外上髁連線的中點作為應力加載的參考點，加載600 N垂直向下的生理負荷（詳見圖2b）。限制股骨屈伸方向的運動，模擬膝關節完全伸直的狀態。此坐標系中的X軸為股骨內外上髁的連線，Z軸為垂直向上的線，Y軸與XZ平面垂直（詳見圖2a）。本研究為獲得膝關節內外側間室的接觸面積、接觸壓力和載荷分布，特運用Abaqus/standard軟件進行運算，并對比以往相關報道的文獻數據，來驗證模擬生物力學的有效性。

表1 模型的材料屬性

圖2 股骨局部坐標系和載荷的定義

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 結果

2.1 完整膝關節骨性關節炎模型的驗證

本研究建立的完整膝關節骨性關節炎有限元模型中共有296 264個單元和126 456個節點，包含骨骼、軟骨、半月板、韌帶、骨間膜等重要結構。內側半月板有限元模型的體積為1378 mm3，外側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據接近，模型真實度高。關節軟骨厚度的測量對比結果詳見表2。基于600 N軸向應力載荷測得的膝關節內側間室承受總載荷的58%，外側間室承受總載荷的42%。膝關節總接觸面積為506 mm2，內側接觸面積為301 mm2，外側接觸面積為245 mm2。完整膝關節骨性關節炎軟骨接觸應力的分布詳見圖4。

表2 關節軟骨厚度的測量對比

圖4 完整膝關節骨性關節炎軟骨接觸應力的分布

2.2 不同高度腓骨截骨的生物力學改變

進行腓骨高位截骨術后，患者膝關節內側間室的接觸應力為3.88 MPa，外側間室的接觸應力為2.44 MPa。術后其膝關節內側間室的接觸應力較術前增加3%，外側間室的接觸應力較術前降低16%；術后其膝關節內外側間室的接觸面積均有所減小，較術前分別減小4 mm2和5 mm2。腓骨截骨高度不同對膝關節內外側間室應力的改變基本相同。詳見圖5。

圖5 不同截骨高度對應膝關節內外側間室接觸面積和接觸應力的關系圖

3 討論

全膝關節置換術、膝關節單髁置換術、腓骨高位截骨術是臨床上治療中晚期膝關節骨性關節炎的有效術式，這三種術式都需要較高的手術技巧，學習曲線均較長[6]。與采用全膝關節置換術、膝關節單髁置換術治療膝關節骨性關節炎相比，用腓骨高位截骨術治療此病具有手術操作簡單、患者術后恢復快等優點[7]。目前臨床上關于腓骨高位截骨術治療膝關節骨性關節炎的確切生物力學機制尚不明確。本研究通過進行有限元分析發現，對膝關節骨性關節炎患者進行腓骨高位截骨術時，腓骨截骨高度的不同對其外側脛骨平臺的應力基本無影響，但可使內側脛骨平臺的應力減小。但本研究建立的膝關節骨性關節炎模型較為粗糙，缺少膝關節的重要結構，故研究結果存在一定的局限性。Nie等[8]在進行相關的研究時使用的結局指標不是與膝關節骨性關節炎密切相關的軟骨應力指標，而是脛骨平臺節點平均應力指標，故研究結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），從而導致術后出現膝關節外側間室應力升高的現象。這也從側面證實了小腿外側肌的牽拉對腓骨高位截骨術的療效有重要影響。進行腓骨高位截骨術時，截骨位置靠下易影響踝關節的穩定性，腓骨中段是較為安全有效的截骨位置。

綜上所述，對膝關節骨性關節炎患者進行腓骨高位截骨術時，腓骨截骨高度的不同對其膝關節內應力的影響較為相似，腓骨中段可作為治療膝關節骨性關節炎較為安全的截骨位置。但該結論缺乏臨床數據的支持，需要通過進一步的研究證明該結論的準確性。