沈健堅(jiān)，丁煥文，張志成，涂 強(qiáng)，姜志強(qiáng)，李 穎

作者單位：528200廣東佛山，廣東省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院脊柱骨科（沈健堅(jiān)，姜志強(qiáng)，李穎）；510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院（丁煥文，涂強(qiáng)）；511110廣州有道計(jì)算機(jī)科技有限公司（張志成）

由創(chuàng)傷、感染、腫瘤引起的脛骨中段骨缺損的治療是矯形外科的難題之一。目前常用的修復(fù)重建方法有鋼板/髓內(nèi)釘+自體骨、同種異體骨、帶血管自體腓骨移植，骨搬運(yùn)等方式[1-3]。其中鋼板/髓內(nèi)釘內(nèi)固定聯(lián)合同種異體骨、自體骨移植適用于軟組織條件完整的脛骨中段大段骨缺損，療效確切[1,4]。本研究通過計(jì)算機(jī)模擬建立鎖定加壓鋼板固定和髓內(nèi)釘固定修復(fù)脛骨中段骨缺損的三維模型和實(shí)體模型，采用有限元方法分析不同固定方式應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，以指導(dǎo)臨床脛骨骨缺損修復(fù)重建內(nèi)固定方式的選擇。

1 資料與方法

1.1 建立脛腓骨三維模型

選擇1名健康男性，采用64排雙源螺旋CT對(duì)其雙下肢進(jìn)行薄層掃描，層厚和層距均為0.625 mm，將獲得的下肢骨關(guān)節(jié)二維圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出并刻錄成DVD數(shù)據(jù)盤，然后導(dǎo)入Mimics軟件（Materialise公司，比利時(shí)），通過域值分割、區(qū)域增加、面罩編輯、三維重建等操作，建立脛腓骨三維解剖模型。

1.2 建立鎖定加壓鋼板和帶鎖髓內(nèi)釘三維模型

選擇16孔Golf鎖定加壓鋼板、帶鎖髓內(nèi)釘（天津威曼公司），激光抄數(shù)兩種內(nèi)固定裝置的點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入逆向工程軟件Imageware（Siemens公司，德國），進(jìn)一步擬合成曲線和曲面，然后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件UG NX（Siemens公司，德國），形成實(shí)體模型，以STL文件導(dǎo)出保存。其中螺釘?shù)娜S模型設(shè)計(jì)為直徑3.5 mm的圓柱體。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助模擬脛骨中段骨缺損修復(fù)

利用Mimics軟件的CMF/Simulation模塊、Cut/Cut Orthgonal to Screen工具，于脛骨平臺(tái)下5 cm處設(shè)計(jì)一長約5 cm的脛骨骨缺損范圍，建立脛骨中段骨缺損模型；將鎖定加壓鋼板和帶鎖髓內(nèi)釘、螺釘三維解剖模型以STL格式導(dǎo)入Mimics軟件中，按照手術(shù)治療的原則進(jìn)行模型裝配，建立兩種內(nèi)固定裝置修復(fù)脛骨中段骨缺損的三維模型（圖1），以STL文件導(dǎo)出保存。

1.4 建立內(nèi)固定修復(fù)脛骨中段骨缺損的實(shí)體模型

將脛骨、腓骨、骨缺損修復(fù)體、鋼板、髓內(nèi)釘和螺釘?shù)娜S模型以STL文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 12（Geomagic公司，美國）；三維模型直接進(jìn)入多邊形階段，通過開流型、松弛、平滑、祛除特征等工具進(jìn)一步光滑模型；然后進(jìn)入曲面階段，通過探測(cè)輪廓線、編輯輪廓線、升級(jí)/約束、構(gòu)建曲面片、松弛曲面片、編輯曲面片、構(gòu)造柵格等工具構(gòu)造曲面片，最后通過擬合曲面工具形成封閉的實(shí)體模型，以.iges格式文件保存。1.5建立有限元模型并進(jìn)行仿真力學(xué)分析

將建立的實(shí)體模型以iges文件導(dǎo)入通用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH 2.0（ANSYS公司，美國）的DM模塊中，其中布爾邏輯運(yùn)算設(shè)置為Add Frozen，生成Golf鎖定鋼板及髓內(nèi)釘固定修復(fù)脛骨中段骨缺損的有限元模型（圖2）。將脛骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨定義為各向同向均質(zhì)材料，添加骨的材料屬性（彈性模量11 GPa、泊松比0.3）；Golf鎖定加壓鋼板和帶鎖髓內(nèi)釘為Ti-6AL-4v材料（彈性模量110 GPa、泊松比0.3[5]）。設(shè)置所有實(shí)體之間的接觸皆為Bonded焊接；網(wǎng)格劃分選擇Sizing劃分方法，脛骨近端、骨缺損修復(fù)體、脛骨遠(yuǎn)端和腓骨網(wǎng)格大小為5 mm，鋼板、髓內(nèi)釘、螺釘為1 mm，生成大小一致的四面體網(wǎng)格單元。邊界約束以脛骨下關(guān)節(jié)面和腓骨外踝關(guān)節(jié)面作為約束點(diǎn)、XYZ六個(gè)方向的自由度均定義為0。插入載荷類型為Force，脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)為受力點(diǎn)，集中力的方向與脛骨平臺(tái)垂直，模擬70 kg體質(zhì)量成年人下肢所承載的重力，大小為700 N。插入求解的選項(xiàng)為等效應(yīng)力和等效應(yīng)變，然后進(jìn)行仿真力學(xué)分析。

2 結(jié)果

在脛骨平臺(tái)軸向施載700 N的作用下，鎖定加壓鋼板等效應(yīng)力分布主要集中在鋼板中下段的后側(cè)緣，遠(yuǎn)端螺釘與鋼板釘孔之間接觸的應(yīng)力值最大（24.377 MPa）；帶鎖髓內(nèi)釘主要集中在髓內(nèi)釘中段及下端背面，骨缺損范圍的髓內(nèi)釘應(yīng)力較大，遠(yuǎn)端第一顆鎖釘與髓內(nèi)釘釘孔接觸的應(yīng)力值最大，為18.706 MPa。鎖定鋼板的等效應(yīng)變分布主要集中在鋼板中下段的后側(cè)緣；帶鎖髓內(nèi)釘主要集中在髓內(nèi)釘?shù)闹卸?、下端的背面，骨缺損修復(fù)體的髓內(nèi)釘應(yīng)變值較大，但分布均勻（圖3～圖6）。

3 討論

3.1 脛骨骨缺損治療方法

圖1 鎖定加壓鋼板固定、帶鎖髓內(nèi)釘固定修復(fù)脛骨中段骨缺損三維模型

圖2 鎖定加壓鋼板固定、帶鎖髓內(nèi)釘固定修復(fù)脛骨中段骨缺損有限元模型

骨搬運(yùn)是目前治療創(chuàng)傷后伴有軟組織缺損、感染的脛骨骨缺損最有效的方法[6]。但對(duì)于腫瘤切除術(shù)后形成的脛骨骨缺損，由于缺損范圍較大，目前多采用“鋼板/髓內(nèi)釘+自體骨、同種異體骨”方法治療。鎖定加壓鋼板具有堅(jiān)強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性，但對(duì)肌肉和骨膜血運(yùn)影響較大，不利于骨愈合，因此多用于脛骨上段和部分脛骨遠(yuǎn)端缺損范圍＜50%的固定，聯(lián)合骨水泥填充一般可獲得良好的固定效果[7]。髓內(nèi)釘屬于中心性固定，具有應(yīng)力分布均勻的優(yōu)點(diǎn)，脛骨轉(zhuǎn)移癌切除后骨缺損重建目前多采用髓內(nèi)釘固定聯(lián)合骨水泥填充、異體骨移植等方法，可提供良好的早期力學(xué)穩(wěn)定性[8]。

圖3 鎖定加壓鋼板固定應(yīng)力分布云圖 圖4鎖定加壓鋼板固定應(yīng)變分布云圖 圖5帶鎖髓內(nèi)釘固定應(yīng)力分布云圖 圖6帶鎖髓內(nèi)釘固定應(yīng)變分布云圖

然而，采用同種異體骨或自體骨填充骨缺損，在未達(dá)到臨床骨愈合之前，其力學(xué)強(qiáng)度往往低于正常骨組織；一旦發(fā)生骨吸收、骨不愈合，則較易出現(xiàn)內(nèi)固定植入物失效。牛曉輝等[9]分析64例異體骨移植治療骨腫瘤所致骨缺損，術(shù)后感染發(fā)生率32.7%，骨端不愈合12.2%,異體骨骨折6.1%。因此，分析鎖定鋼板/髓內(nèi)釘聯(lián)合骨移植重建治療脛骨中段骨缺損過程中可能存在的力學(xué)薄弱區(qū)域，并及早進(jìn)行干預(yù)，有利于指導(dǎo)臨床治療方式的選擇。

3.2 有限元結(jié)果分析

目前，有限元法廣泛應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，特別在定制性假體修復(fù)重建骨缺損方面，能夠預(yù)測(cè)假體的應(yīng)力分布情況和穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)假體設(shè)計(jì)，改進(jìn)內(nèi)固定方式。行斌斌等[10]建立同種異體骨與人工關(guān)節(jié)復(fù)合移植重建股骨近段大段骨缺損骨的三維有限元模型，結(jié)果準(zhǔn)確顯示了股骨、骨水泥和假體的應(yīng)力分布情況以及最大應(yīng)力值，驗(yàn)證了有限元法在預(yù)測(cè)異體骨聯(lián)合假體修復(fù)骨缺損力學(xué)穩(wěn)定性方面的可行性。

本研究通過計(jì)算機(jī)模擬建立鎖定加壓鋼板和髓內(nèi)釘固定修復(fù)脛骨中段骨缺損的有限元模型，并進(jìn)行脛骨正常載荷下的仿真力學(xué)分析，該模型高度接近于臨床上脛骨骨缺損重建的實(shí)體解剖形態(tài)，結(jié)果顯示髓內(nèi)釘固定最大應(yīng)力值（18.706 MPa）低于鎖定鋼板固定（24.377 MPa），表明髓內(nèi)釘固定相對(duì)于鎖定鋼板出現(xiàn)植入斷裂的機(jī)率更低；而最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在植入物遠(yuǎn)端位置，故臨床骨缺損治療中應(yīng)在骨缺損遠(yuǎn)端保留足夠正常骨質(zhì)，以供內(nèi)固定植入，同時(shí)有助于降低植入物遠(yuǎn)端的應(yīng)力值。本研究結(jié)果與馮衛(wèi)等[11]、H?gel等[12]的脛骨體外生物力學(xué)研究結(jié)果基本一致，提示髓內(nèi)釘固定在脛骨骨缺損重建治療中具有更加優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性。

本研究中髓內(nèi)釘應(yīng)力分布主要集中在髓內(nèi)釘中段、下端的背面，在加載軸向載荷的時(shí)候，由于彈性模量大于正常骨質(zhì)，因此髓內(nèi)釘承受了主要的軸向載荷；采用異體骨重建骨缺損時(shí)若出現(xiàn)異體骨吸收或不愈合，將可能導(dǎo)致骨缺損區(qū)域的髓內(nèi)釘斷裂；而鎖定鋼板的應(yīng)力分布主要集中在骨缺損區(qū)域的遠(yuǎn)端，加載載荷下可能導(dǎo)致骨缺損遠(yuǎn)端與正常骨交界處的植入物斷裂。但當(dāng)施加相同的載荷時(shí)，髓內(nèi)釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力小于鎖定鋼板，且應(yīng)變分布更為均勻。

王臻等[13]采用大段異體骨聯(lián)合髓內(nèi)釘固定重建35例四肢惡性骨腫瘤切除后骨缺損患者，結(jié)果表明，交鎖式髓內(nèi)固定可有效減少骨不愈合，其力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)于鎖定鋼板固定，髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端應(yīng)盡可能接近干骺段，減少異體骨與髓內(nèi)釘之間的空隙，減少術(shù)后松動(dòng)。黃林等[14]采用骨水泥填充+髓內(nèi)釘/鋼板固定重建8例脛骨轉(zhuǎn)移癌術(shù)后骨缺損，結(jié)果顯示髓內(nèi)釘可均勻承載整根長骨的機(jī)械負(fù)荷，避免應(yīng)力遮擋作用，降低再骨折發(fā)生率，減少植入物斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，從而證實(shí)了髓內(nèi)釘固定治療較大骨缺損的優(yōu)異性。總之，無論是臨床研究還是有限元分析結(jié)果，均提示帶鎖髓內(nèi)釘應(yīng)力分布更加均勻，最大等效應(yīng)力較小，是治療脛骨骨缺損較好的內(nèi)固定方式。

3.3 研究的不足與展望

①在脛骨骨缺損建模上采用簡(jiǎn)化模型方法，單純按照內(nèi)固定的方式建立髓內(nèi)釘/鎖定鋼板、螺釘、脛腓骨的解剖模型，忽略了肌肉、韌帶組織的建模以及在施載條件下肌肉和韌帶組織的力量分布情況[15]。②在骨骼模型材料屬性方面，本研究設(shè)置骨骼模型為各向同向均質(zhì)材料，但實(shí)際脛腓骨中皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的材料屬性并不一致[16]。③只采用了垂直方向的軸向載荷，沒有進(jìn)行扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎等仿真模擬分析。④在生物力學(xué)方面，沒有同時(shí)進(jìn)行尸體實(shí)物模型的生物力學(xué)分析，但與其他體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，分析結(jié)果基本一致[11-12]。下一階段將嘗試采用彈簧單元模擬韌帶結(jié)構(gòu)，使用TheAnyBody Modeling System來完善肌肉組織模型的建立和分析，并進(jìn)行骨缺損尸體模型的生物力學(xué)分析，以期獲取更加真實(shí)的力學(xué)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)四肢骨干骨缺損修復(fù)的內(nèi)固定方式選擇。