有限元法分析不同截肢術后脛腓骨遠端的應力和位移變化*

宋登新，曹云，何小文，丁徐，易成臘

(1.上海市第一人民醫院寶山分院骨科，上海 200940；2.華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院創傷外科，武漢 430030)

1 引 言

小腿截肢是一種十分常見的手術，隨著假肢技術的不斷進步，患者對殘肢的利用度越來越高，完善的截肢技術對患者的生活質量起著重要的作用。傳統小腿截肢與骨肌肉成形切斷術，是小腿經脛腓骨截肢手術的兩類方法[1-3]，但其力學特點尚未見報道。本研究利用有限元分析，研究這兩種小腿截肢術后脛腓骨遠端應力—位移分布規律，尋找符合生物力學原理的小腿截肢方法，為臨床應用提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 實驗動物與分組

6～9月齡的健康山羊12只。雌雄不限，體重20～25 kg，隨機分為實驗組和對照組，每組6只。實驗過程中對動物處置符合動物倫理學標準。

2.2 模型制作

術前動物禁食水24 h，肌肉注射速眠新0.1 ml/kg麻醉。

2.2.1傳統小腿截肢術 在截骨平面的稍下方切斷脛骨四周肌肉。結扎、切斷血管和神經。暴露朗非節(腓骨)，在脛骨截骨面下環形切開骨膜，鋸斷脛骨，縫合傷口。

2.2.2骨肌肉成形切斷術 在截骨平面遠端約7～8 cm處，將脛骨縱形切開，保留0.6～0.8 cm厚內側骨面及其附著的骨膜和肌肉組織，切斷后旋轉脛骨遠端的骨橋，多余脛骨部分切斷并旋轉與朗非節縫合固定(模擬人的腓骨)。術后3 d，每日肌肉注射青霉素80萬單位。兩組在同一生長環境下飼養六個月后，通過肌肉注射苯巴比妥處死動物，留取新鮮脛腓骨標本。將新鮮標本取材后用雙層保鮮塑料袋封閉，置于-20℃恒溫冰柜冷凍保存，在該溫度下保存標本、骨與韌帶的生物力學特性無改變。

2.3 建模

2.3.1建模主要設備與軟件 螺旋CT (Siemens somatom sesation 40)；HP工作站(基本配置：CPU 2．8GHZ，內存2G，硬盤400GB)：Simpleware 6.0和Abaqus 6.12有限元分析軟件。

2.3.2三維有限元模型的建立 取兩組羊脛腓骨標本，進行CT斷層成像，在CT掃描過程中標本在脛骨縱軸方向上保持不動，由近端向遠端進行掃描，掃描層厚為0.6 mm，層間距0.6 mm。床進速度為1.3 mm/s，球管電流與電壓為275 mA和120.0 kV。將掃描得到的Dicom數據轉換為Jpg格式保存。分別將兩組CT圖像數據導入到Simpleware6.0中，在ScanIP模塊中進行圖像的分割處理，建立了兩個不同模型相應的肌肉及套筒圖像，并將處理完成的圖像轉化成三維模型，設置材料屬性、接觸關系等參數并對三維模型進行網格劃分及接觸設定。最后輸出inp格式的文件，以供有限元軟件進行仿真分析。見圖1、圖2。

圖1 骨肌肉成形切斷術仿真有限元模型

圖2 傳統小腿截肢術仿真有限元模型

采用三維十節點四面體實體單元網格化。假設脛腓骨均為連續、均質、各向同性的線彈性材料，羊的腓骨：1.1×104 Mpa，泊松比為0.2；脛骨：1.7×104 Mpa，泊松比為0.3；肌肉：0.1 Mpa，泊松比為0.3；套筒：1.9×105 Mpa，泊松比為0.31。

2.3.3建立計算模型 按照本課題設計要求和建模原則對脛腓骨標本進行仿真模擬，分別建立傳統的小腿截肢和骨肌肉成形切斷術的有限元計算模型。將兩組標本inp格式的文件導入Abaqus中，添加載荷和邊界條件，進行有限元計算分析，輸出受力分布云圖，位移云圖等數據。

2.3.4載荷及邊界條件 正常站立位，脛骨干長軸與人體中軸線平行。加載條件為對脛骨近端施加沿人體中軸線的軸向載荷。通過模擬人單足站立時生理應力做加載，具體數值為600 N。邊界條件為脛腓骨遠端完全固定，即遠端各節點在X、Y、Z軸上的位移為0。套筒底部球面區域添加固定端約束。肌肉與套筒，肌肉與腓骨，肌肉與脛骨添加接觸。

3 結果

建立完整的骨肌肉成形切斷術和傳統的小腿截肢術脛腓骨遠端三維有限元模型，對兩組標本定義相同的單元類型，施加相同的約束條件，分別計算出脛腓骨遠端位移和應力值，應力值的單位是Mpa，位移值的單位是m，見圖3～圖6(只列出抗壓縮載荷)。

圖3 骨肌肉成形切斷術抗600N垂直載荷脛腓骨的位移圖

Fig3Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

圖4 傳統小腿截肢術抗600N垂直載荷脛腓骨的位移圖

Fig4Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

圖5 骨肌肉成形切斷術抗600N垂直載荷脛腓骨的應力云圖

Fig5Thestressmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

圖6 傳統小腿截肢術抗600N垂直載荷脛腓骨的應力云圖

Fig6Thestressmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

3.1 兩組模型加載600 N載荷時位移變化

脛腓骨遠端最大相對位移在對抗內收、外展和旋轉載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、壓縮載荷時骨肌肉成形切斷術最大相對位移比傳統組小，兩組差別有顯著性(P<0.05)；脛腓上聯合的相對位移在對抗壓縮和旋轉載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗伸直、屈曲、外展載荷時骨肌肉成形切斷術的脛腓上聯合的相對位移比傳統組小，對抗內收載荷時骨肌肉成形切斷術的脛腓上聯合的相對位移比傳統組大，差別有顯著性(P<0.05)。

3.2 兩組模型加載600 N載荷時應力變化

腓骨所承受的應力在對抗內收載荷時兩組差別無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉載荷時骨肌肉成形切斷術的腓骨的所承受應力增加，差別有顯著性(P<0.05)；脛腓上聯合所承受的應力在對抗內收載荷時差別也無顯著性(P>0.05)，在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉載荷時骨肌肉成形切斷術的脛腓上聯合所承受的應力減少，差別有顯著性(P<0.05)，見表1～表4。

表1 脛腓骨相對最大位移(m)

表2 脛腓上聯合的相對位移 (m)

表3 腓骨應力變化(MPa)

表4 脛腓上聯合應力變化(MPa)

4 討論

近年來，由于外傷和疾病所致截肢患者數量逐年增多，截肢給患者身體和精神上造成痛苦和不便，給家庭和社會帶來直接的經濟負擔[4]，據2007年美國統計，64.6%的下肢截肢都是小腿經脛腓骨截肢[5]。截肢后，殘肢的遠端通過接觸假肢的套接部承受體重，體重載荷傳遞模式是殘肢發揮功能的重要保證[6-7]。小腿截肢和假肢的理論技術不斷更新[8-9]，完善的截肢技術可以使患者更好的利用假肢，明顯提高生活質量[10-11]。Ertl于1949年提出“骨肌肉成形切斷術”，利用骨或骨膜成形技術來閉合脛骨骨髓腔和融合脛腓骨獲得一個穩定的肢體遠端結構[12-13]，與傳統小腿截肢術一起構成小腿經脛腓骨截肢手術的兩種主要技術，但目前，其力學特點尚未見報道，也無相關的研究來指導其臨床應用。

針對目前情況，本研究利用三維有限元分析小腿截肢殘留的脛腓骨應力和位移情況，通過模擬人單足站立對抗屈曲、伸直、外展、內收、壓縮和旋轉載荷時，觀察對比兩種手術標本中脛腓骨最大相對位移、脛腓上聯合的相對位移、腓骨和脛腓上聯合的應力來研究傳統小腿截肢與骨肌肉成形切斷術殘肢的力學特點。本研究數據顯示：在相同的負載條件下，骨肌肉成形切斷術殘端在對抗屈曲、伸直、壓縮載荷時脛腓骨之間的最大相對位移比傳統截肢術明顯減少；在對抗屈曲、伸直、外展載荷時脛腓上聯合的相對位移比傳統截肢術明顯減少，僅僅在對抗內收載荷時脛腓上聯合的相對位移比傳統截肢術有所增加；在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉載荷中腓骨所承受的應力比傳統截肢術明顯增加，同時脛腓上聯合所承受的應力比傳統截肢術明顯減少。

本研究結果提示骨肌肉成形切斷術殘肢骨骼生物力學優于傳統的小腿截肢，主要體現在對抗屈曲、伸直、壓縮時脛腓骨之間的相對位移小；在對抗屈曲、伸直、外展時脛腓上聯合的相對位移小；在對抗屈曲、伸直、外展、壓縮和旋轉中腓骨和脛腓上聯合的應力均優于傳統截肢患者，而傳統截肢患者僅僅在對抗內收載荷時脛腓上聯合的位移較小。因此，我們認為骨肌肉成形切斷術利用融合脛腓骨獲得一個承重的肢體遠端結構，使患者在利用假肢行走時，提供更大的假肢接觸面分散接觸應力，增加腓骨承受力并穩定上脛腓聯合，消除腓骨在受力時存在的不穩定，具有良好的生物力學效果。

小腿經脛腓骨截肢殘端的實際受力情況是多種載荷的疊加，較為復雜，本研究將羊骨簡化為彈性材料，并忽略了肌肉韌帶因素的影響，與實際情況有所偏差，但這種簡化和省略是必要和可行的，通過有限元法研究小腿殘端脛腓骨受力和位移情況，指導小腿截肢的應用，具有重要臨床意義。