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膝外翻矫形术中股骨远端不同截骨角的生物力学实验研究

2024-05-25 67 上传者：管理员

摘要：目的研究膝外翻股骨远端截骨术（DFO）中股骨远端不同截骨角的生物力学特征。方法采集1例典型的有症状股骨髁上畸形的膝外翻女性志愿者MRI及CT影像数据，构建膝外翻的骨-关节三维有限元模型，并建立7个不同截骨角度的矫形术后模型。对膝外翻模型的股骨远端机械轴外侧角（mLDFA）、胫骨近端内侧角（MPTA）、胫骨-股骨机械轴夹角、力线通过距离进行测量。观察分析膝关节伸直位状态下内外侧间室关节接触力再分布、关节软骨与半月板应力。结果力线通过距离受矫形角度影响明显，在矫形6°～7°时跨过50%界线。胫骨-股骨机械轴夹角受矫形角度影响，其在矫形5°～6°逐渐转为负值。MPTA不受矫形角度影响。mLDFA受到矫形角度影响，矫形角度每增加1°，mLDFA也随之增加1°。冠状面截骨角度为7°时，胫骨-股骨机械轴通过膝关节间隙冠状面的48.6%处，膝关节内外侧间室关节接触力分布为外侧40%、内侧60%，内外侧间室关节软骨应力分布最均匀，膝关节股骨侧软骨外侧间室应力峰值5.2 MPa、内侧5.5 MPa，胫骨侧外侧间室应力峰值6.0 MPa、内侧6.2 MPa。结论 DFO治疗膝外翻时截骨角度对内外侧间室关节接触力再分布、软骨应力具有显著影响。矫形后胫骨-股骨机械轴经过胫骨平台中点略内侧，呈轻度内翻时，关节软骨应力分布更为均衡，内外侧间室关节接触力分布接近人体正常膝关节状态。

关键词：
有限元分析
生物力学
股骨远端截骨术
膝关节
膝外翻
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膝外翻畸形是临床常见的膝关节冠状面畸形之一，原因多为股骨远端髁上部发育不良，其可导致膝关节载荷分布不均，外侧间室载荷增加，软骨破坏加速，易发展为膝关节骨性关节炎。股骨远端截骨术（distal femur osteotomy,DFO）可通过改变下肢力线，调整膝关节内外侧间室载荷分布，即将人体载荷从病变的外侧间室转移至完好的内侧间室，重新分布关节接触力，改变应力分布模式，有效缓解症状，改善运动功能，推迟甚至避免行全膝关节置换[1]。

Jackson等[2]于1969年首次报道利用胫骨近端截骨术（high tibial osteotomy,HTO）治疗膝外翻畸形。然而，其他研究者发现，DFO更适合膝外翻矫形[3,4,5]。根据截骨的基本原则，截骨位置应尽量选择在畸形明显部位，这可避免因部位选择不合理而加重原有畸形甚至导致新的畸形[6]。在膝外翻畸形中，股骨髁上畸形更常见，选择DFO治疗膝外翻畸形更合理。但是DFO相关的生物力学研究却鲜见报道，尤其是截骨角度对于膝关节载荷再分布及生物力学的影响尚未明确[7,8,9,10,11]，同时，临床应用较多的下肢力线矫正参数多基于HTO治疗膝内翻进行设计，是否适用于膝外翻的治疗仍存疑[12]。因此，本研究通过探讨DFO治疗膝外翻畸形中不同截骨角度对于下肢力线、膝关节内外侧间室载荷再分布、膝关节软骨及半月板应力的生物力学影响，以期为相关临床策略制定提供理论依据。

1、材料与方法

1.1膝外翻术前三维有限元模型建立

选择1例典型的有股骨髁上畸形症状的膝外翻志愿者，女性，年龄55岁，体质量70 kg，身高155 cm。临床症状为双侧膝关节外侧间隙疼痛。临床诊断为膝关节骨性关节炎，膝外翻畸形。经志愿者同意后获取相关影像学资料，包括双下肢全长站立位X射线片、双下肢CT及MRI。相关影像学数据保存为dicom格式。通过冠状面影像学测量，该患者的股骨远端机械轴外侧角（mechanical lateral distal femoral angle,mLDFA）为82°，胫骨近端内侧角（medialproximaltibialangle,MPTA）为87.3°。该数据说明患者为股骨畸形引起的膝外翻畸形（图1）。

图1膝外翻术前模型

将患者CT影像学数据导入5.3.3 Amira软件，根据灰度值将骨性结构进行图像分割，并进行初步三维形态获取及平滑和简化处理。再使用HyperMesh(V12.0）对处理后的数据进行网格划分及加载前处理。无法通过CT数据精准获取的形态数据，如半月板形态等，利用MRI获取数据，并在Hyperworks中与骨性结构进行拼装。

膝外翻模型基本参数：骨结构（松质骨、皮质骨）选择4面体单元，网格尺寸为1～3 mm；核心的兴趣区为股骨远端，这部分选择1 mm的网格尺寸。软骨选择求解性更好的6面体单元，半月板由于其形态与力学功能的特殊性选择5面体与6面体的混合建模方案，半月板和软骨的网格大小为1 mm。膝关节的股骨、胫骨、半月板表面接触逻辑设定为不可穿通的接触对，摩擦系数为0.07。软骨与软骨下骨的接触逻辑为紧密结合。模型使用的材料力学属性参数参考文献[13,14,15,16,17,18,19]，见表1。

表1模型中各结构材料力学参数

1.2不同截骨角度DFO模拟

本研究中模拟DFO方案为临床上经典的股骨远端、单平面、闭合性、楔形截骨内固定术（图2）。截骨铰链位置选择股骨外侧髁与股骨干过渡处。楔形截骨角度从小至大，每1°分别建立1个模型，共计7个截骨矫形模型，分别命名为矫形1°～7°模型。具体楔形截骨面按照等腰三角形原则确定，尽量减少边缘的梯坎效应。截骨后，用锁定性钉板进行固定。螺钉-钉板、螺钉-骨界面设定为紧密连接，截骨平面之间摩擦系数设定为0.2。本研究中使用的全部材料未设定破坏参数[7,13,18]。

1.3加载与边界条件

本研究中的加载与边界条件旨在模拟人体站立时膝关节承受的压缩载荷，既往文献报道约为740 N[13,17,19]。下肢受力方向为股骨头中心指向踝关节中心，踝关节中心约束6自由度，压缩载荷加载于股骨头中心点。具体方案：以踝关节关节面为原点，股骨头中心点为Z向，建立坐标系；沿髋关节轴心点至踝关节关节面为原点方向，加载740 N轴向载荷。踝关节面完全约束，股骨及其上结构释放沿轴向自由度。

图2股骨远端单平面闭合性截骨模拟

1.4观察指标

对膝外翻模型的mLDFA、MPTA、胫骨-股骨机械轴夹角、力线通过距离进行测量。力线通过距离定义为下肢机械力线与关节间隙的交点位置，膝关节最内侧定义为0，最外侧定义为100%；胫骨-股骨机械轴夹角是股骨与胫骨机械轴之间的夹角，负数代表内翻，正常值为-1.3°，即内翻1.3°。记录膝关节内外侧间室的关节接触力和分布，膝关节股骨侧、胫骨侧的软骨、半月板米氏应力分布及峰值。

2、结果

2.1矫形后力线改变

模型手术前后力线数据测量结果显示，胫骨-股骨机械轴夹角受矫形角度影响，其在矫形5°～6°逐渐转为负值。MPTA不受矫形角度影响。mLDFA受到矫形角度影响，矫形角度每增加1°，mLDFA也随之增加1°。力线通过距离受矫形角度影响明显，在矫形6°～7°时跨过50%界线，见表2。

表2矫形前后力线数据

2.2膝关节内外侧间室载荷承载模式

膝外翻畸形术前，膝关节伸直位下有接近89.9%的关节接触力是外侧间室进行传递。随着截骨角度增加，更多的关节接触力从内侧间室进行传递。楔形矫形约6°时，内外侧间室承载的关节接触力基本相同；矫形7°时，内外侧间室的关节接触力比例约为内侧60%，外侧40%。在截骨模型中，截骨角度与内外侧间室关节接触力分布比例显著相关，楔形截骨角度每增加1°，约8%的总关节接触力从外侧间室转移至内侧间室（图3）。

图3膝关节内外侧间室接触力及分布

2.3膝关节软骨及半月板应力分布及应力峰值

从应力分布情况来看，膝关节股骨、胫骨侧软骨应力术前主要分布在外侧间室，随着截骨角度的逐渐增加，应力在内外侧间室的分布逐渐均匀。从应力峰值来看，股骨侧软骨在截骨角度达到7°时，内外侧间室应力峰值较平衡，为5.2～5.5 MPa。胫骨侧软骨内外侧间室应力峰值的平衡点与股骨侧软骨基本相同，约出现在截骨角度7°时，应力峰值为6.0～6.2 MPa。而半月板内外侧间室应力峰值的平衡点出现在截骨角度5°～6°时，约为2 MPa（图4）。

图4关节软骨及半月板的应力分布与应力峰值

3、讨论

既往研究显示，膝关节承受的关节接触力中，60%～75%是通过内侧间室进行传递的[7,8,9,10,11]。而膝外翻患者的下肢力线与正常人存在显著区别，其关节接触力传递途径由关节内侧间室显著移向外侧间室。本研究建立的膝外翻模型显示，术前状态接近89.9%的伸直位关节接触力通过外侧间室进行传递。虽然临床上膝外翻相对膝内翻少见，但外翻畸形对膝关节的生物力学影响较内翻畸形更为明显[20]。

本研究结果显示，随着截骨角度的增加，膝关节内外侧间室接触力分布不均得到显著改善，同时有效分散了集中于外侧间室的关节软骨应力。截骨角度对于内外侧间室关节接触力再分布的影响呈一定的线性关系，同时截骨角度的增加可有效降低外侧间室关节软骨应力峰值。本研究中，膝关节内外侧间室接触力分布、股骨和胫骨侧关节软骨应力峰值均提示，矫形7°模型中内外侧间室的关节接触力分布更接近正常膝关节的内侧60%和外侧40%状态，同时股骨和胫骨侧关节软骨应力峰值在内外侧间室分布较为均匀，没有显著的应力集中区域；仅半月板的应力峰值倾向于矫形5°和6°模型。

Fujisawa点（关节间隙的62.5%处）是日本学者提出的HTO术后负重力线标准[5]。Fujisawa点是针对膝内翻发生后，内侧间隙已经严重下降，软骨磨损严重的一个推荐性力线调整依据。临床医生在设计治疗膝内翻的HTO截骨角度时，其可作为一个简单的参考，可让更多的关节接触力从已经损坏的内侧间室转移至外侧间室进行传递。本研究中Fujisawa点并不适合直接作为膝外翻治疗中DFO的调整依据。本研究中，矫形3°～4°模型的力线特征均接近Fujisawa点，然而此时关节软骨应力和内外侧间室关节接触力分布均为外侧间室高于内侧间室，这并不能有效满足DFO治疗膝外翻的目的，即不能有效改善外侧负载及外侧间室软骨高应力状态。本研究发现，膝外翻矫形7°模型的关节软骨应力表现为内侧间室轻度高于外侧间室，且内、外侧间室关节接触力分布比例接近正常膝关节特征。此时，下肢力线通过距离为48.6%，胫骨-股骨机械轴夹角约为-1.7°，呈现轻度内翻趋势。相较Fujisawa点，本研究中预测的理想矫形7°模型的下肢力线更靠近内侧间室。既往研究认为，下肢胫骨-股骨机械轴夹角处于-3°～3°以内较为理想，也被称之为理想力线[11]。本研究中，胫骨-股骨机械轴夹角从-1.7°～5.3°，矫形3°～7°模型都符合理想力线的特征。而轻微的内翻夹角更有利于降低外侧间室关节接触力和软骨高应力。

既往针对膝关节截骨矫形术的研究，多使用膝关节的骨-关节-韧带模型。而本研究使用的是相对简化的骨-关节模型。这主要是由于本研究重点关注的是膝关节在伸直位状态下承载的关节接触力再分布与关节应力特征。膝关节的主要韧带，如交叉韧带、内外侧副韧带、髌韧带等几乎不承载关节接触力。相反，建模时增加韧带和关节囊结构会进一步增加模型计算难度。本研究主要模拟了人体膝关节伸直位状态下承载轴向关节接触力，而并未分析较为复杂的膝关节不同步态动作。虽然存在上述不足，但本研究仍在一定程度上体现了不同截骨角度对膝外翻畸形矫形后膝关节力学特征的影响。

综上，DFO治疗膝外翻时，下肢机械轴经过胫骨平台中点，胫骨-股骨机械轴夹角应呈轻度内翻倾向时，关节软骨应力分布更为均衡，内外侧间室关节接触力分布接近人体正常膝关节状态。DFO治疗膝外翻时的截骨角度与膝关节内外侧间室关节接触力再分布、膝关节软骨应力峰值具有一定线性关系。Fujisawa点的经典膝内翻矫形方案并不适用于指导膝外翻中DFO的手术方案。

参考文献:

[7]李硕,苏鹏,张力,等.三维重建和有限元分析股骨髁上截骨对矫治膝内翻有积极作用[J].中国组织工程研究,2022,26(6):6.

[10]王琛,张淞瑞,黄龙鳌,等.膝关节三维有限元模型的建立及腓骨截骨治疗骨关节炎机制[J].中华实验外科杂志,2021,38(6):1169-1173.

[11]齐岩松,吴海贺,徐永胜,等.外翻膝患者全膝关节置换术中股骨远端外翻截骨应用的研究进展[J].中华临床医师杂志(电子版),2021,15(7):552-555.

[12]朱广铎,郭万首,程立明,等.活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型的建立[J].中国矫形外科杂志,2015,23(21):1994-1998.

基金资助:重庆市科卫联合医学科研项目(2021MSXM185);

文章来源:王钟,周强,谢峰.膝外翻矫形术中股骨远端不同截骨角的生物力学实验研究[J].局解手术学杂志,2024,33(05):399-403.