腓骨中上段截骨對膝關節骨性關節炎患者的膝關節應力改變的研究

趙梁 鄭明 陳蕾 鐘建元 宋衛 林建輝

[摘要] 目的 研究腓骨中上段截骨術對膝關節骨性關節炎患者的膝關節的應力影響。方法 對1例因內側間隙狹窄的膝關節骨性關節炎的患者行腓骨中上段截骨術，分別在術前、術后1天、術后半年行患肢膝關節CT掃描和雙下肢全長負重位X線檢查，獲得CT數據，建立膝關節三維有限元模型，計算并分析患肢膝關節應力的變化。結果 從術前到術后半年，患者膝關節內側半月板應力出現減小趨勢，降低約20%，外側半月板應力出現明顯增加趨勢，增幅約55%，術后半年脛骨平臺內側受力有一定程度的減小。結論 利用三維有限元計算分析，從理論角度證實腓骨中上段截骨術在治療內側間室狹窄的膝關節骨性關節炎中，可減輕膝關節內側應力。

[關鍵詞] 腓骨截骨;骨關節炎;膝關節;不均勻沉降;三維有限元

[中圖分類號] R575? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 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，應用腓骨中上段截骨術治療內側間室狹窄的膝關節骨性關節炎在臨床上逐步開展，許多早期膝關節骨性關節炎的患者可通過該術式得到緩解。該次對1例內側間隙狹窄的膝關節骨性關節炎的患者行腓骨中上段截骨術，分別在術前、術后1 d，術后半年行患肢膝關節CT掃描，建立術后膝關節三維有限元模型，計算并分析患肢膝關節應力的變化，現報道如下。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

患者1例，男性，77歲，符合以下條件：①膝關節骨性關節炎，癥狀以內側間室為主;②X線表現為膝關節內側間隙狹窄，全下肢負重位X線可見膝內翻畸形;③保守治療無效;④患者接受該治療方案。

1.2? 手術方法

對該患者行腓骨中上段截骨術。全麻，仰臥位，患肢驅血上止血帶，自腓骨頭下方10 cm處向遠端作一長約5 cm縱行切口，經腓骨長短肌和比目魚肌間隙入路，顯露腓骨并行骨膜下剝離，用線鋸鋸斷腓骨，切除長約2 cm的腓骨段，用骨蠟封堵斷端髓腔，術中防止損傷腓淺神經和腓血管，縫合切口。手術時間25 min，出血20 mL。

1.3? 術后康復

術后第2天開始下床活動，術后2周恢復正常工作、生活。

2? 膝關節三維有限元模型建立

2.1? 幾何模型三維重建

對該患者分別在術前、術后1 d、術后半年行患肢膝關節CT掃描和雙下肢全長負重位X線檢查，獲得CT數據。根據CT掃描數據Dicom文件，采用Mimics16.0軟件對其進行數據提取，重建出膝關節幾何模型，并導出STL格式文件。其次，在Geomagic Studio2014軟件中修補、降噪及曲面化，導出STP格式文件，在Pro/E5.0軟件中組裝模型。再者，將整體處理后的膝關節幾何模型導出STEP格式文件。繼而，將STEP文件導入Hypermesh13.0軟件中進行網格劃分，導出BDF格式文件，最后在MSC. Nastran2012軟件中進行有限元仿真模擬和計算分析。

2.2? 材料參數設定

參考國內外已公開發表文獻中的研究數據[1-3]，膝關節骨骼、關節軟骨、半月板等組織的材料屬性如下表1所示。因關節軟骨、半月板等材料參數實際較為復雜，考慮到在日常實際行走、上下樓梯燈活動時一般的負荷頻率大于0.1 Hz，其結構依然處于彈性階段，同時為了便于理論研究的方便性，故將其假定為彈性材料[1-3]。此外，半月板與關節軟骨[3-4]之間采用摩擦接觸，摩擦系數為0.2[5]，其他結構為共節點接觸。

2.3? 邊界條件假定

對膝關節結構模型進行一些邊界約束假定，具體如下。

①固定約束脛骨、腓骨下端（腓骨中上段截骨后，腓骨下端不約束），并限制6個方向的自由度;股骨上端截斷面不約束。

②假定骨骼、軟骨、半月板結構為各向同性、均質、連續的彈性材料。

③將股骨上端所有節點全部耦合于某個參考點，在此參考點上直接施加力矩30 N·M荷載[6]來模擬屈膝30°運動狀態，耦合節點傳力的方法可使荷載傳遞更加均勻、更可靠。

3? 結果

經過有限元對3組膝關節在屈膝30°運動狀態下內/外側半月板、股骨內/外髁軟骨、脛骨平臺內/外側軟骨對應的Von Mises應力峰值提取匯總于表2中，換算出相對術前的各結構組織應力增量百分比來描述，如表3所示。

由上表可知，通過有限元三維仿真模擬，并研究分析了該患者膝關節術前、術后、術后半年在屈膝30°運動狀態下的膝關節各結構生物力學特性，可以發現，從術前到術后半年，內側半月板應力開始出現減小趨勢，降低約20%，外側半月板應力則出現明顯增加趨勢，增幅約55%，從股骨內/外髁軟骨、脛骨平臺內/外側軟骨也可以發現，術后半年內側結構的壓力得到緩解，內側結構受力有一定程度的減小，降幅在37%～44%之間;外側結構受力隨之有一定程度的增加，增幅在13%～43%之間。

4? 討論

該患者術前內側半月板的應力峰值要明顯高于外側半月板，可能是因內翻導致內側半月板受壓較為明顯，因此較容易出現局部應力集中，從而導致內側半月板應力大于外側半月板，術后半年的內側半月板應力出現減小趨勢，外側半月板應力則出現明顯增加趨勢，由此可以說明腓骨中上段截骨后，內側半月板得到一定程度的受力舒緩。

傳統理論認為，膝關節骨性關節炎的發生與肥胖、長期負重、慢性勞損、遺傳等因素密切相關。近年來，張英澤等[7-9]提出的不均勻沉降理論認為在重力的作用下由于腓骨對脛骨平臺外側的支撐，使相對薄弱的脛骨平臺內側產生不均勻沉降，從而導致膝關節內翻以及膝關節內側間隙變狹窄。膝關節骨性關節炎多發生于老年人，已發生骨質疏松的脛骨平臺由于不均勻沉降導致內側比外側更容易發生微骨折，微骨折的修復使局部骨質增生、硬化，繼而膝關節內側間隙變窄、應力增加、軟骨磨損，導致膝關節骨性關節炎的發生和加重。有些病史長、癥狀嚴重的膝關節內側間室骨性關節炎的患者可表現為脛骨平臺內側骨質密度大，這種改變也符合Wolf定律，即骨的生長、吸收、重建和骨的受力狀態有關。這些患者，脛骨平臺的內側承擔較大的符合，在長期的應力作用下，骨骼重塑，內側骨皮質增厚，松質骨骨小梁增加。所以，不均勻沉降在老年人膝關節骨性關節炎的發病過程中有著重要的影響。

腓骨位于脛骨外側，雖不直接參與構成膝關節的骨性結構，但對脛骨起到一定的支撐作用，有承擔膝關節載荷的1/6[10-11]。 腓骨中上段截骨后，比目魚肌和腓骨長肌將腓骨近端向遠端牽拉，使脛骨平臺形成一個以外側平臺為支點的杠桿結構，外側平臺產生下沉的趨勢，逐漸改變下肢力線，使膝關節負重時的應力外移，同時脛骨平臺的外側失去了腓骨的支撐，也可使下肢負重時載荷外移，膝關節內側間隙的應力減低。腓骨截骨能重新平衡脛骨平臺內外側的壓力，從而緩解疼痛、改善癥狀，防止膝關節進一步損傷。

通過有限元方法對患者膝關節進行了定性定量的生物力學研究，利用力學原理和結構工程思想，對膝關節在腓骨中上段截骨術后進行的三維仿真模擬分析，可得出一定的生物力學結論，將給臨床手術研究提供一定的力學指導作用。有限元方法的介入，從理論角度研究其生物力學特性，為推動腓骨中上段截骨術治療膝關節骨性關節炎的科研發展起到較好的理論幫助。

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（收稿日期：2019-08-26）