不同填充块对内侧开放楔形胫骨高位截骨应力分布的影响

于成双， 马剑雄， 卢 斌， 王 颖， 柏豪豪， 靳洪震， 马信龙 （天津大学天津医院 骨科研究所，天津市骨科生物力学与医学工程重点实验室， 天津 ３０００５０）

摘要：目的 分析填充块材料和尺寸对胫骨截骨模型应力分布的影响。

方法 建立 ３ 种不同材料（髂骨、松质骨和 聚醚醚酮）、５ 种不同尺寸填充块，分别植入胫骨截骨模型，对模型进行力学加载，分析模型的应力分布和边缘位移。 

结果 就 ３ 种材料而言，植入髂骨材料的填充块模型在胫骨近端、钢板的应力和边缘位移低于松质骨和聚醚醚酮 材料，但髂骨材料的填充块应力最高；在不同尺寸填充块植入截骨间隙时，胫骨截骨各部分应力分布和边缘位移存 在差异，特别是填充块宽度从 ３０ ｍｍ 减小到 １０ ｍｍ，胫骨近端、钢板和填充块应力峰值平均分别增加了 ４９. ３％ 、 ９２. ７％ 、５４. ４％ 。 

结论 不同的填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。研究结果为临床胫骨截骨填充 块参数的选择提供理论依据。 

关键词：内侧开放楔形胫骨高位截骨术；填充块；应力；边缘位移 

中图分类号：Ｒ ３１８．０１ 文献标志码：Ａ

      内侧开放楔形胫骨高位截骨术（medial opening wedge high tibial osteotomy, MOWHTO）是膝关节内 翻对线的早期和中度内侧单间室骨关节炎的一种 成熟治疗方法，该手术一直被认为对年轻和活跃患 者有效［１⁃４］ 。然而，MOWHTO 在截骨部位形成 １ 个 开口间隙，截骨间隙骨的延迟愈合、不愈合成为MOWHTO 主要并发症［５⁃８］ 。因此，各种骨空洞填充 块被用作植骨材料，如自体骨移植、同种异体骨移 植或人工骨替代物［９］ 。研究证实，填充块的加入限 制了钢板和外侧皮质的张拉应变，保护这些区域在 长时间负荷下不会发生骨折［１０］ 。目前研究主要集 中于填充块的植入问题，而填充块尺寸对胫骨截骨 稳定性影响的研究还鲜有报道。本文利用有限元 方法研究植入不同材料和尺寸填充块的胫骨截骨 模型的受力分布以及边缘位移变化，从而通过建立 明确的填充块材料和尺寸，为临床MOWHTO 中填 充块的选择提供理论依据。

１ 材料与方法 

１. １ 有限元模型建立

      将第 ４ 代 Sawbone＃3401 人工骨的计算机断层 （ computed tomography, CT） 扫 描 图 像 （ ＣＴ 层 厚 ０. ６２５ ｍｍ；图像分辨率 ５１２ × ５１２ 像素；管电流 ９０ ｍＡ；管电压 ６０ ｋＶ）导入 Mimics ２１. ０（Materialize公司，比利时）中，经过阈值分割、擦除、区域生长等 命令操作，重建完整的左侧胫骨三维模型。利用逆 向工程软件 Geomagic Studio 19.0(Geomagic 公司， 美国）对胫骨三维模型进行表面优化和曲面拟合， 构建NURBS 曲面，将所得模型通过SolidWorks 20.0(SolidWorks 公司，美国）进一步将胫骨近端的表面 模型转换为具有光滑和无缝表面的实体模型。在 矢状面上，胫骨骨干与地面垂直。在内侧截骨部位 进行约 １０ ｍｍ 扩张，作为MOWHTO 中指定的矫 正[6,11,12](见图1)。

    根据发布的 ＴｏｍｏＦｉｘ 钢板参数重建骨板，并在 有经验的外科医生的指导下，钢板被放置在胫骨近 端前内侧区域。为了简化，将 ８ 枚直径 ５ ｍｍ 锁定 螺钉上的螺纹去掉。然后，建立 ５ 种不同尺寸填充 块（见表 １），并将其植入到胫骨模型的截骨间隙中， 构建植入 ５ 种不同尺寸填充块的胫骨截骨模型（见 图 ２）。所有模型都导入 HyperMesh 19.0(Altair 公 司，美国），并用 C3D4 四面体单元划分网格。

１. ２ 材料属性和接触设置所有模型均在 ABAQUS 2020(Simulia 公司，法 国）中的相同条件下设置。将均质、各向同性、线弹 性材料特性分配给模型的不同部分［１３⁃１５］ 。填充块 定义为 髂 骨、 松 质 骨 和 聚 醚 醚 酮 （polyetherether-keton, PEEK） ３ 种不同材料，材料属性见表 ２。此 外，设置胫骨⁃螺丝钉和钢板⁃螺丝钉界面粘结，以模 拟牢固的固定和没有界面松动。设置胫骨⁃填充块 界面为面对面接触单元，允许分离和滑动，接触面 摩擦因数为 ０. ３ ［１６］ 。

１. ３ 边界和载荷条件 

      在实验中，使用分布式耦合约束来施加载荷。在胫骨平台上方 ２ ｍｍ 处建立两个参照点，并与相 应的内、外侧平台参考面相连［１７］ 。 在参照点施加 ２ ｋＮ生理载荷，其中 ６０％ 转移到内侧间隙，４０％ 转移 到外侧间隙，模拟成人单肢站立时膝关节的轴向压 缩载荷［１８］ 。 在所有测试中，设置胫骨截骨模型的远 端为完全约束［１２，１８⁃１９］ 。

２ 结果 

２. １ 有限元模型验证

     在 ２ ｋＮ 轴向载荷下，将计算结果与有限元实验 结果［１８，２０］进行比较。结果显示，没有填充块模型的最大应力为 ２５１. １ ＭＰａ，胫骨最大应力为 １１４. ４ ＭＰａ， 最大位移为 １. ４８３ ｍｍ，楔形刚度为 １ ３４９ Ｎ／ ｍｍ。楔 形刚度与 Ｌｕｏ 等［１８］ ［（１ ６９６ ± ２０５） Ｎ／ ｍｍ］ 和 Ｊｉ 等［２０］ （９８５. １ Ｎ／ ｍｍ）相似，表明所建有限元模型具 有较好的有效性，并可用于进一步的分析。

２. ２ 胫骨近端应力分析

       所有胫骨截骨模型的胫骨近端应力峰值均出 现在外侧铰链的后部［见图 ３（ ａ）］。在 ３ 种材料 中，植入髂骨材料填充块的模型胫骨近端应力最 低，植入 ＰＥＥＫ 材料填充块的模型胫骨近端应力最 高。此外，与植入填充块 １ 的模型相比，植入填充 块 ２～５ 模型在髂骨材料下胫骨近端最大应力分别 增加了 １. ８％ 、１１. ８％ 、１７. ５％ 和 ６３. ０％ ，植入填充块 ２～５ 模型在松质骨材料下胫骨近端最大应力分别 增加了 ２. ２％ 、１３. ５％ 、２０. ６％ 、７１. ０％ ，植入填充块 ２～５ 模型在 ＰＥＥＫ 材料下胫骨近端最大应力分别 增加了 ２. ４％ 、１５. ８％ 、２２. ４％ 、７５. １％ ［见图 ４（ａ）］。

２. ３ 钢板应力分析

     在所有模型中，钢板的应力分布规律相似，应 力集中在钢板的后部和由钢板支撑开口楔形的整 体区域，峰值位于钢板组件的第 ５ 和 ８ 个螺钉处 ［见图 ３（ｂ）］。填充块长度从 ６３ ｍｍ 减小到 ４２ ｍｍ 或 ２１ ｍｍ 时，填充块材料和尺寸对于钢板应力的影 响很小。相比之下，宽度减小不仅对钢板的应力分布产生影响，使应力峰值从第 ８ 个螺钉处转移到第 ５ 个螺钉处，而且显著增加了最大应力。特别是宽 度从３０ ｍｍ减小到 １０ ｍｍ，在 ３ 种材料填充块植入 下钢板应力分别增加了 ８５. ４％ 、９６. ３％ 和 ９６. ２％ ［见图 ４（ｂ）］。

２. ４ 填充块应力分析

      填充块应力集中于填充块内侧的后部区域。其中，髂骨材料的填充块应力最高，填充块 1~５ 应 力分别为 19.2、15.9、34.0、28.9、55.5 MPa; PEEK 材料的填充块应力最低，填充块 1～５ 分别为5.7、6.0、10.9、9.7、15.6 MPa。 就 ３ 种材料的填充块平 均应力而言，填充块 1～４ 应力分别比填充块 ５ 应力 低 64.7%、67.8%、35.2%和43.6% （见图 ５）。

２. ５ 边缘位移 

    对于所有模型，边缘aa的开口楔形始终受到拉 伸，但在边缘bb和 cc 的开口楔形始终受到压缩。所有模型中，边缘 cc处的位移最大，其次是边缘 ａａ，而边缘 ｂｂ 处的位移最小。在 ３ 种填充材料中， 植入PEEK 材料填充块的模型边缘位移最大，植入 髂骨材料填充块的模型边缘位移均最小。与植入 填充块 ５ 的模型相比，植入填充块 ３ 的模型在髂骨 材料下边缘aa、bb和 cc 的位移分别减少了81.1%、4.0%、79.6% ，植入填充块 ３ 的模型在松质骨材料下 边缘 aa、bb和 cc 的位移分别减少了７８. ５％、３８. ７％、 ７６. ４％ ，植入填充块 ３ 的模型在 ＰＥＥＫ 材料下边缘 ａａ、ｂｂ 和 ｃｃ 的位移分别减少了 ７５. ６％、 ４８. ８％ 和７４. ３％ 。就 ３ 种材料模型平均位移而言，从内侧前部边缘 ｃｃ 到内侧后部边缘 ａａ 的情况下，植入填充 块 １ ～ ５ 模型位移分别减少 ４９. ０％、５０. ４％、５３. ９％、 ３７. １％、５０. ３％ （见图 ６）。

３ 讨论 

     MOWHTO被认为是治疗膝关节内翻畸形合并 骨关节炎和内侧室局灶性骨坏死的一种替代方法， 然而，MOWHTO不可避免产生的缺口只能缓慢地用 各种骨空洞填充块进行填充［９，１６］ 。目前有多种骨空 隙填充材料可供选择，自体骨是骨移植的“黄金标 准”，但供骨部位的发病率是患者和外科医生主要 关注的问题。同种异体移植具有各种尺寸和形状 的可用性，以及无供体部位发病率。随着脊柱融合、关节置换翻修、关节融合等需求的增加，异体骨 供体相对不足［２１⁃２２］ 。然而合成骨移植物价格昂贵， 导致截骨的植入成功往往受植骨材料不足的限 制［２３］ 。但截骨间隙植骨已被证明在降低种植失败、 侧铰断裂风险和保证结构稳定方面具有明显的生 物力学优势［１２，１７］ 。因此，选择合适的填充块植入胫 骨截骨间隙，对提高术后稳定性非常重要。本文建 立了在髂骨、松质骨和 ＰＥＥＫ 材料下植入５ 种不同 尺寸填充块的胫骨截骨三维有限元模型，并模拟单 肢站立期间膝盖的压缩负荷进行加载，观察植入填 充块模型的应力分布和边缘位移，以寻找理想的填 充块尺寸。

      合、关节置换翻修、关节融合等需求的增加，异体骨 供体相对不足［２１⁃２２］ 。然而合成骨移植物价格昂贵， 导致截骨的植入成功往往受植骨材料不足的限 制［２３］ 。但截骨间隙植骨已被证明在降低种植失败、 侧铰断裂风险和保证结构稳定方面具有明显的生 物力学优势［１２，１７］ 。因此，选择合适的填充块植入胫 骨截骨间隙，对提高术后稳定性非常重要。本文建 立了在髂骨、松质骨和 ＰＥＥＫ 材料下植入５ 种不同 尺寸填充块的胫骨截骨三维有限元模型，并模拟单 肢站立期间膝盖的压缩负荷进行加载，观察植入填 充块模型的应力分布和边缘位移，以寻找理想的填 充块尺寸。

     在相同材料和力学加载状况条件下，减小填充 块的尺寸，特别是宽度，导致胫骨近端、钢板和填充 块的应力明显变得越来越大。除了产生的应力增 加外，填充块宽度的减小还对钢板的应力峰值位置 产生影响，使应力峰值从第 ８ 个螺钉处转移到第 ５ 个螺钉处。但 Ｚｈａｏ 等［１７］ 使用５０ ｍｍ× １５ ｍｍ × １０ ｍｍ填充块填充时的钢板应力峰值位于钢板近端 组件的第 ４ 个螺钉处，与本文加载载荷大小和钢板 轮廓不同有关。

      在无填充块模型中边缘 ａａ 位移为拉伸状态下 ４２ μｍ，边缘 ｂｂ 和 ｃｃ 位移分别为压缩状态下 ８２、２５８ μｍ，在 ３ 个边缘中，边缘 ｃｃ 位于更靠后的区域， 这是生理活动期间负载最大的区域。此外，与内侧 钢板区相比，外侧铰链区是截骨后结构缺陷最薄弱 的区域。因此，为外侧铰链创造 １ 个完整的支点对 于稳定截骨部位至关重要［１７］

     研究表明，胫骨倾斜度增加将在胫骨平台上重 新分配胫股接触压力，使截骨术向前打开，增加胫骨前移和半脱位［２４］ 。本文发现，植入 ３ 种材料的填 充块 １ ～ ３ 模型在边缘 ａａ 和 ｃｃ 的平均位移约为 ６、１３ μｍ，植入填充块 ４ 模型在边缘 ａａ 和 ｃｃ 的平均位 移约为 １４、２２ μｍ，植入填充块 ５ 模型在边缘 ａａ 和 ｃｃ 的平均位移约为 ２８、５６ μｍ。在边缘 ａａ 处，植入 填充块 ２～ ５ 结构的楔形位移分别是植入填充块 １ 结构的 １. ００、０. ９３、２. １２、４. ２７ 倍；在边缘 ｃｃ 处，植 入填充块 ２～５ 结构的楔形位移分别是植入填充块 １ 结构的 １. ０３、１. ０３、１. ７２、４. ３８ 倍。其中，植入填充 块 ４、５ 模型具有较高的边缘位移，可能会产生杠杆 效应导致骨分离的发生，不利于愈伤组织的形成。本文认为，填充块有足够的轮廓宽度，才能为外侧 铰链提供 １ 个完整的支点，在垂直方向上有效承担 负荷和减小骨结构的过度位移。然而，少量的运动 可能有助于骨愈合［１８］ 。本文所有模型的边缘位移 均未超过骨愈合允许的最大移动量（＞１００ μｍ） ［２５］ 

      本研究的局限性如下：① 便于模型的收敛，忽 略了膝关节周围韧带和肌群的受力；② 有限元模型 中所有构件的材料特性设置为均质、各向同性和线 弹性，没有模拟实际情况中各部分的复杂材料属 性；③ 只模拟了静态的加载条件，没有考虑运动状 态下的影响；④ 用一般接触条件下的摩擦因数来确 定实际情况下的接触条件，真实的临床情况与计算 机模拟的情况不同；⑤ 只在开口高度为 １０ ｍｍ 下植 入 ５ 种尺寸填充块进行分析，实际开口高度和填充 块参数可能会有多种选择。

４ 结论

     本文对 ＭＯＷＨＴＯ 在 ３ 种材料下不同填充块尺 寸植入方案进行生物力学评估。结果表明，不同的 填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。研究结果为临床胫骨截骨填充块参数的选择提供 理论依据。然而，由于研究的局限性，还需要进一 步开展体外生物力学测试和临床试验，以选择合适 的填充块尺寸。

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