腓骨中上段截骨对膝关节骨性关节炎患者的膝关节应力改变的研究

赵梁 郑明 陈蕾 钟建元 宋卫 林建辉

[摘要] 目的 研究腓骨中上段截骨术对膝关节骨性关节炎患者的膝关节的应力影响。方法 对1例因内侧间隙狭窄的膝关节骨性关节炎的患者行腓骨中上段截骨术，分别在术前、术后1天、术后半年行患肢膝关节CT扫描和双下肢全长负重位X线检查，获得CT数据，建立膝关节三维有限元模型，计算并分析患肢膝关节应力的变化。结果 从术前到术后半年，患者膝关节内侧半月板应力出现减小趋势，降低约20%，外侧半月板应力出现明显增加趋势，增幅约55%，术后半年胫骨平台内侧受力有一定程度的减小。结论 利用三维有限元计算分析，从理论角度证实腓骨中上段截骨术在治疗内侧间室狭窄的膝关节骨性关节炎中，可减轻膝关节内侧应力。

[关键词] 腓骨截骨;骨关节炎;膝关节;不均匀沉降;三维有限元

[中图分类号] R575          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-0742（2019）11（c）-0100-03

[Abstract] Objective To study the effect of fibular osteotomy on knee joint stress in patients with osteoarthritis of the knee. Methods Fibula upper middle section of osteotomy to the inside of the narrow gap of knee osteoarthritis patients. Respectively， at preoperative and postoperative 1 day and six months postoperatively， CT scan and long-leg radiographs， CT data obtained， three-dimensional finite element model of knee is set up， calculation and analysis of the change of the knee joint stress. Results From preoperative to half a year， the medial meniscus of knee joint stress decreasing trend， reducing by about 20%. The stress of the lateral meniscus of increased by about 55%. The pressure of the medial tibial platform is relieved half a year after surgery. Conclusion The three-dimensional finite element analysis proves that the osteotomy of middle and upper fibula can reduce the stress of medial knee joint in the treatment of knee osteoarthritis with medial interventricular stenosis.

[Key words] Tibial osteotomy; Osteoarthritis; Knee joint; Uneven settlement; Three-dimensional finite element

近年來，应用腓骨中上段截骨术治疗内侧间室狭窄的膝关节骨性关节炎在临床上逐步开展，许多早期膝关节骨性关节炎的患者可通过该术式得到缓解。该次对1例内侧间隙狭窄的膝关节骨性关节炎的患者行腓骨中上段截骨术，分别在术前、术后1 d，术后半年行患肢膝关节CT扫描，建立术后膝关节三维有限元模型，计算并分析患肢膝关节应力的变化，现报道如下。

1  资料与方法

1.1  一般资料

患者1例，男性，77岁，符合以下条件：①膝关节骨性关节炎，症状以内侧间室为主;②X线表现为膝关节内侧间隙狭窄，全下肢负重位X线可见膝内翻畸形;③保守治疗无效;④患者接受该治疗方案。

1.2  手术方法

对该患者行腓骨中上段截骨术。全麻，仰卧位，患肢驱血上止血带，自腓骨头下方10 cm处向远端作一长约5 cm纵行切口，经腓骨长短肌和比目鱼肌间隙入路，显露腓骨并行骨膜下剥离，用线锯锯断腓骨，切除长约2 cm的腓骨段，用骨蜡封堵断端髓腔，术中防止损伤腓浅神经和腓血管，缝合切口。手术时间25 min，出血20 mL。

1.3  术后康复

术后第2天开始下床活动，术后2周恢复正常工作、生活。

2  膝关节三维有限元模型建立

2.1  几何模型三维重建

对该患者分别在术前、术后1 d、术后半年行患肢膝关节CT扫描和双下肢全长负重位X线检查，获得CT数据。根据CT扫描数据Dicom文件，采用Mimics16.0软件对其进行数据提取，重建出膝关节几何模型，并导出STL格式文件。其次，在Geomagic Studio2014软件中修补、降噪及曲面化，导出STP格式文件，在Pro/E5.0软件中组装模型。再者，将整体处理后的膝关节几何模型导出STEP格式文件。继而，将STEP文件导入Hypermesh13.0软件中进行网格划分，导出BDF格式文件，最后在MSC. Nastran2012软件中进行有限元仿真模拟和计算分析。

2.2  材料参数设定

参考国内外已公开发表文献中的研究数据[1-3]，膝关节骨骼、关节软骨、半月板等组织的材料属性如下表1所示。因关节软骨、半月板等材料参数实际较为复杂，考虑到在日常实际行走、上下楼梯灯活动时一般的负荷频率大于0.1 Hz，其结构依然处于弹性阶段，同时为了便于理论研究的方便性，故将其假定为弹性材料[1-3]。此外，半月板与关节软骨[3-4]之间采用摩擦接触，摩擦系数为0.2[5]，其他结构为共节点接触。

2.3  边界条件假定

对膝关节结构模型进行一些边界约束假定，具体如下。

①固定约束胫骨、腓骨下端（腓骨中上段截骨后，腓骨下端不约束），并限制6个方向的自由度;股骨上端截断面不约束。

②假定骨骼、软骨、半月板结构为各向同性、均质、连续的弹性材料。

③将股骨上端所有节点全部耦合于某个参考点，在此参考点上直接施加力矩30 N·M荷载[6]来模拟屈膝30°运动状态，耦合节点传力的方法可使荷载传递更加均匀、更可靠。

3  结果

经过有限元对3组膝关节在屈膝30°运动状态下内/外侧半月板、股骨内/外髁软骨、胫骨平台内/外侧软骨对应的Von Mises应力峰值提取汇总于表2中，换算出相对术前的各结构组织应力增量百分比来描述，如表3所示。

由上表可知，通过有限元三维仿真模拟，并研究分析了该患者膝关节术前、术后、术后半年在屈膝30°运动状态下的膝关节各结构生物力学特性，可以发现，从术前到术后半年，内侧半月板应力开始出现减小趋势，降低约20%，外侧半月板应力则出现明显增加趋势，增幅约55%，从股骨内/外髁软骨、胫骨平台内/外侧软骨也可以发现，术后半年内侧结构的压力得到缓解，内侧结构受力有一定程度的减小，降幅在37%～44%之间;外侧结构受力随之有一定程度的增加，增幅在13%～43%之间。

4  讨论

该患者术前内侧半月板的应力峰值要明显高于外侧半月板，可能是因内翻导致内侧半月板受压较为明显，因此较容易出现局部应力集中，从而导致内侧半月板应力大于外侧半月板，术后半年的内侧半月板应力出现减小趋势，外侧半月板应力则出现明显增加趋势，由此可以说明腓骨中上段截骨后，内侧半月板得到一定程度的受力舒缓。

传统理论认为，膝关节骨性关节炎的发生与肥胖、长期负重、慢性劳损、遗传等因素密切相关。近年来，张英泽等[7-9]提出的不均匀沉降理论认为在重力的作用下由于腓骨对胫骨平台外侧的支撑，使相对薄弱的胫骨平台内侧产生不均匀沉降，从而导致膝关节内翻以及膝关节内侧间隙变狭窄。膝关节骨性关节炎多发生于老年人，已发生骨质疏松的胫骨平台由于不均匀沉降导致内侧比外侧更容易发生微骨折，微骨折的修复使局部骨质增生、硬化，继而膝关節内侧间隙变窄、应力增加、软骨磨损，导致膝关节骨性关节炎的发生和加重。有些病史长、症状严重的膝关节内侧间室骨性关节炎的患者可表现为胫骨平台内侧骨质密度大，这种改变也符合Wolf定律，即骨的生长、吸收、重建和骨的受力状态有关。这些患者，胫骨平台的内侧承担较大的符合，在长期的应力作用下，骨骼重塑，内侧骨皮质增厚，松质骨骨小梁增加。所以，不均匀沉降在老年人膝关节骨性关节炎的发病过程中有着重要的影响。

腓骨位于胫骨外侧，虽不直接参与构成膝关节的骨性结构，但对胫骨起到一定的支撑作用，有承担膝关节载荷的1/6[10-11]。 腓骨中上段截骨后，比目鱼肌和腓骨长肌将腓骨近端向远端牵拉，使胫骨平台形成一个以外侧平台为支点的杠杆结构，外侧平台产生下沉的趋势，逐渐改变下肢力线，使膝关节负重时的应力外移，同时胫骨平台的外侧失去了腓骨的支撑，也可使下肢负重时载荷外移，膝关节内侧间隙的应力减低。腓骨截骨能重新平衡胫骨平台内外侧的压力，从而缓解疼痛、改善症状，防止膝关节进一步损伤。

通过有限元方法对患者膝关节进行了定性定量的生物力学研究，利用力学原理和结构工程思想，对膝关节在腓骨中上段截骨术后进行的三维仿真模拟分析，可得出一定的生物力学结论，将给临床手术研究提供一定的力学指导作用。有限元方法的介入，从理论角度研究其生物力学特性，为推动腓骨中上段截骨术治疗膝关节骨性关节炎的科研发展起到较好的理论帮助。

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（收稿日期：2019-08-26）