有限元分析技術(shù)在內(nèi)側(cè)開(kāi)放性楔形脛骨高位截骨術(shù)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

李清瀚，王大麟 (北華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，吉林 吉林 132000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，骨科學(xué)在不斷產(chǎn)生新的科研理念，數(shù)字化有限元分析技術(shù)因其精準(zhǔn)性、高效性和低成本性得到了廣泛推廣。本文就有限元分析技術(shù)在開(kāi)放楔形脛骨高位截骨術(shù)研究中的應(yīng)用與發(fā)展做一綜述，并提出現(xiàn)階段可能存在的問(wèn)題及對(duì)未來(lái)發(fā)展方向的展望。

1 開(kāi)放楔形脛骨高位截骨術(shù)

近年國(guó)內(nèi)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎“階梯治療”理念深入人心，脛骨高位截骨術(shù)(HTO)已成為保膝性手術(shù)治療的常用術(shù)式。HTO屬于膝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)的一種，該術(shù)式通過(guò)糾正下肢力線(xiàn)，改變脛骨平臺(tái)負(fù)重，降低內(nèi)側(cè)間室的壓力，減緩骨性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展，是治療伴有膝內(nèi)翻的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎保膝性手術(shù)的首選術(shù)式[1]。HTO根據(jù)截骨后截骨平面是否接觸，分為內(nèi)側(cè)開(kāi)放性楔形 HTO(OWHTO)與外側(cè)閉合性楔形 HTO(CWHTO)。自HTO被報(bào)道[2]始，長(zhǎng)期以來(lái)CWHTO都作為首選方案，因?yàn)樵摲N方案能夠提供較高的穩(wěn)定性。但隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展，特別是強(qiáng)生公司發(fā)明了專(zhuān)門(mén)用于膝關(guān)節(jié)周?chē)毓堑腡omoFix系列產(chǎn)品后，聯(lián)合該系列產(chǎn)品的OWHTO開(kāi)始逐步流行起來(lái)[3]。與傳統(tǒng)的CWHTO相比，聯(lián)合了TomoFix鎖定內(nèi)固定系統(tǒng)的OWHTO有更好的穩(wěn)定性，且避免了腓總神經(jīng)的癥狀，同時(shí)提供了更精確的矯正效果和更早的康復(fù)鍛煉時(shí)間，可以最大限度地保留患者膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能[4]。

王興山等[5]總結(jié)了國(guó)內(nèi)常用的OWHTO手術(shù)方案，即采用單平面內(nèi)側(cè)開(kāi)口楔形截骨術(shù)，由鵝足止點(diǎn)向上脛腓聯(lián)合置入 2 枚剛好穿過(guò)外側(cè)皮質(zhì)的克氏針，第一枚克氏針靠近脛骨后方，同一高度、距 2 cm 處置入第二枚克氏針，第一截骨面起自脛骨后緣至脛骨中前1/3，緊貼鵝足止點(diǎn)近端始，沿克氏針?lè)较蛴诳耸厢樳h(yuǎn)端截骨，保留1 cm左右的外側(cè)皮質(zhì)，第二截骨面起自脛骨結(jié)節(jié)后方至脛骨中前1/3，與脛骨嵴平行并與第一截骨平面呈 110° 左右?jiàn)A角，用擺鋸和截骨刀制造截骨楔，并置入內(nèi)固定鋼板，其間根據(jù)術(shù)中具體情況決定是否在撐開(kāi)處植骨。OWHTO不僅為第四階段的TKA保留了骨量，也能為患者最大限度地保留運(yùn)動(dòng)能力。

2 膝關(guān)節(jié)應(yīng)用有限元分析技術(shù)的歷史

有限元分析法最初是在二十世紀(jì)五十年代作為處理固體力學(xué)問(wèn)題的方法出現(xiàn)的，是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算分析方法。Brekelma等[6]于1978年首次提出通過(guò)有限元分析技術(shù)研究骨骼的機(jī)械學(xué)行為，對(duì)于膝關(guān)節(jié)的有限元分析，Bendjaballah等[7]以CT影像為模版，首次完成了對(duì)膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建，Pea等[8]以CT影像和MRI影像為模板，完善了膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建，這種模型很好地構(gòu)建了韌帶等軟組織。膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立包括：采集原始圖像；優(yōu)化模型；賦予目的特征；劃分有限元網(wǎng)格；設(shè)定屬性及參數(shù)；確定邊界條件；進(jìn)行有限元分析和求解。CT對(duì)骨組織的分辨率較高，而MRI對(duì)半月板、軟骨、韌帶等組織有較高的分辨率，兩種成像方式對(duì)于膝關(guān)節(jié)成像的敏感性互補(bǔ)，為提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，目前多采取CT及MRI聯(lián)合進(jìn)行圖像采集。通過(guò)圖像處理軟件(Mimics等)，將采集的原始圖像數(shù)據(jù)(DICOM格式)進(jìn)行初步骨骼模型的重建，并通過(guò)逆向工程軟件(Geomagic等)對(duì)模型的多余特征進(jìn)行處理，并優(yōu)化、光滑模型。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)三維軟件(Solidwork等)，對(duì)模型進(jìn)行目的特征賦予，如骨骼與內(nèi)固定、假體之間的裝配，對(duì)骨折線(xiàn)、畸形的模擬等。CAD三維軟件同樣可以完成有限元網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的細(xì)化程度直接影響到計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模。材料屬性和參數(shù)的設(shè)置，同樣在CAD三維軟件中完成。綜合文獻(xiàn)，將有限元模型的材料參數(shù)匯于表1，一般設(shè)定骨性結(jié)構(gòu)為剛體，設(shè)定半月板為橫向同性材料，設(shè)定關(guān)節(jié)軟骨為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性單相線(xiàn)彈性材料，設(shè)定韌帶結(jié)構(gòu)為超彈性、各向同性材料[9-11]。準(zhǔn)確的有限元分析需要在建模中賦予適宜的邊界條件，如王光達(dá)等[12]研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)共有 6 個(gè)自由度控制，不同的膝關(guān)節(jié)有限元分析，模擬的條件不同，邊界設(shè)定的條件也不同。見(jiàn)表1。

表1 膝關(guān)節(jié)有限元模型的材料參數(shù)

3 HTO應(yīng)用有限元分析技術(shù)的案例

近年，有限元分析在HTO領(lǐng)域應(yīng)用的主要方向是對(duì)新型術(shù)式的探討和對(duì)并發(fā)癥預(yù)防新理念的研究。Diffo與Bostr?m等[13-14]的研究都通過(guò)有限元的方法探討了一項(xiàng)防治鉸鏈骨折并發(fā)癥的新技術(shù)——頂端鉆孔技術(shù)。頂端鉆孔技術(shù)是已被證實(shí)的可以降低LHF發(fā)生的方法之一，2002年，Kessler等[15]首次在OW-HTO截骨楔的頂端額外制造了一個(gè)前后貫通脛骨的鉆孔，通過(guò)分散鉸鏈周?chē)鷳?yīng)力防止鉸鏈皮質(zhì)的骨折，這一技術(shù)稱(chēng)為鉸鏈頂端鉆孔(Apical Drill Hole)技術(shù)。 Diffo等[13]的研究驗(yàn)證了這一說(shuō)法，其研究通過(guò)有限元分析法證明了截骨頂端鉆孔減少了外側(cè)皮質(zhì)的應(yīng)力，這使鉸鏈骨折發(fā)生的幾率下降，也增加了校正角度較小的標(biāo)本在外側(cè)皮質(zhì)破裂之前的臨界打開(kāi)角度。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組年齡(平均年齡、低齡、老齡)的骨皮質(zhì)模型參數(shù)，結(jié)果示頂端鉆孔在老齡組的應(yīng)力改變不大，是否進(jìn)行頂端鉆孔鉸鏈應(yīng)力改變差別不大。其研究還對(duì)比兩種不同鉆孔設(shè)計(jì)的效果，其中一種鉆孔設(shè)計(jì)在了截骨線(xiàn)的延伸線(xiàn)上，另一種位于截骨線(xiàn)的上方，通過(guò)對(duì)比二者的作用效果，得出設(shè)計(jì)沿截骨線(xiàn)鉆孔可以達(dá)到更好的分散負(fù)載效果。鉆孔的最佳直徑同樣是其研究的熱點(diǎn)之一，Bostr?m等[14]通過(guò)有限元法，對(duì)比了不同直徑鉆孔分散應(yīng)力的情況，其研究表明，當(dāng)鉸鏈大小固定，對(duì)比直徑為2 mm、4 mm和6 mm的鉆孔，4 mm組分散鉸鏈周?chē)鷳?yīng)力的效果最佳，且在大小為10 mm的鉸鏈頂端做一直徑為4 mm的鉆孔，可以最大限度地分散水平和垂直方向的應(yīng)力，降低LHF發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。Kessler等[15]研究認(rèn)為，直徑為5 mm的頂端鉆孔是匹配寬度為10 mm的鉸鏈可以達(dá)到最佳的分散應(yīng)力效果。但在制造5 mm鉆孔的同時(shí)，如何保持大小為10 mm外側(cè)鉸鏈的完整性是困難的，因?yàn)樵撛囼?yàn)無(wú)法模擬骨皮質(zhì)斷裂的情況[16-19]。該試驗(yàn)同時(shí)表明，頂端鉆孔具有一定意義，但不是決定性因素，在撐開(kāi)截骨間隙較大的情況下，鉆孔可能會(huì)導(dǎo)致鉸鏈的斷裂。

Yang等[11]應(yīng)用有限元分析技術(shù)驗(yàn)證了對(duì)置拉力螺釘理念的有效性。對(duì)置拉力螺釘技術(shù)是Paccola和Fogagnolo[17]提出的一種手術(shù)理念，作為已鉸鏈骨折的OWHTO的補(bǔ)救方法[20-22]。該手術(shù)從外側(cè)皮質(zhì)向內(nèi)側(cè)鋼板插入補(bǔ)充經(jīng)皮拉力螺釘，在完成OWHTO后，透視下在靠近截骨頂點(diǎn)的部位經(jīng)皮質(zhì)插入一枚半螺紋松質(zhì)骨拉力螺釘，螺釘從靠近外側(cè)皮質(zhì)的截骨頂點(diǎn)開(kāi)始，通向脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)的邊緣。Yang等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)一向有限元試驗(yàn)，對(duì)比了皮質(zhì)螺釘和松質(zhì)螺釘作為拉力螺釘?shù)男Ч?duì)皮質(zhì)螺釘?shù)淖罴验L(zhǎng)度進(jìn)行了探討。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為6.5 mm的松質(zhì)骨螺釘、6.5 mm的皮質(zhì)骨螺釘和8.0 mm的皮質(zhì)骨螺釘，試驗(yàn)結(jié)果顯示，拉力螺釘可以更有效降低脛骨平臺(tái)后外側(cè)的負(fù)重，降低截骨后脛骨復(fù)位缺失的概率，而拉力螺釘增加了鋼板鎖定螺釘?shù)膽?yīng)力，截骨平片以上的鎖定螺釘應(yīng)力增加尤為顯著，且拉力螺釘經(jīng)過(guò)預(yù)張拉力處理后可以更有利于避免HTO后內(nèi)側(cè)復(fù)位的丟失[23-24]。通過(guò)橫向鉸鏈骨折模型的生物力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，與未修復(fù)橫向鉸鏈骨折的HTO模型相比，插入拉力落定的模型結(jié)構(gòu)剛度有顯著改善，這些拉力螺釘不但可以很容易地恢復(fù)外側(cè)皮質(zhì)的連續(xù)性，而且在截骨術(shù)內(nèi)固定后骨橋完整的情況下，能夠防止?jié)撛诘耐鈧?cè)皮質(zhì)鉸鏈的斷裂[25]。

4 總結(jié)與展望

有限元分析技術(shù)因其可以施加不同的負(fù)荷、材料屬性、邊界條件，對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、剛度、位移情況等進(jìn)行分析,解決了傳統(tǒng)的骨科力學(xué)研究的有創(chuàng)性、環(huán)境影響很大、費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，成為重要的科研工具。在OWHTO的研究中，有限元分析技術(shù)可以對(duì)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的“階梯治療”提供力學(xué)分布的分析，可以對(duì)遠(yuǎn)期關(guān)節(jié)病變的進(jìn)展做出預(yù)測(cè)，對(duì)膝關(guān)節(jié)內(nèi)部應(yīng)力的影響進(jìn)行分析應(yīng)是未來(lái)膝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)的研究方向。同時(shí)要與臨床試驗(yàn)、傳統(tǒng)生物力學(xué)試驗(yàn)及動(dòng)物試驗(yàn)相結(jié)合，將更多的研究成果有效地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。