摘要
背景： 骨关节炎如今是中老年人最常见的退行性病变之一，是老年人关节疼痛的最常见原因之一。与此同时，骨关节炎也是老年人致残的最主要原因之一。目前临床上主要的治疗骨关节炎方法有保守治疗、关节置换术和截骨术。在这三种治疗方式中，保守治疗往往只能提供暂时的症状缓解，而关节置换术只适用于中度和重度的骨关节炎患者。对于轻度患者和年轻患者，截骨术是一种可以纠正下肢生物力线而又能保留膝关节完整性的治疗手段。膝关节周围截骨术治疗的原理是通过截骨矫正了下肢受力的机械轴，从而重新平衡膝关节内外侧受力，减轻软骨和软骨下骨的受力，从而缓解患者的痛苦。在多种膝关节周围截骨术中，腓骨截骨术最近被发现对于改善内侧间室的膝骨关节炎患者的疼痛有显著的效果，并且能改善患膝关节炎并伴有膝内翻的膝关节的功能和外观。近年来，腓骨截骨术治疗膝骨关节炎的临床报道越来越多，腓骨截骨术正在变成一种广泛应用的治疗手段。董等人的研究揭示了腓骨截骨术治疗的机制，他们认为内侧骨关节炎患者施行腓骨截骨术后，腓骨断开，附着在腓骨近端的肌肉拉动腓骨小头，使胫骨内侧平台过量的负荷向外侧平台转移。但对于腓骨截骨术前后力学特性的变化缺乏足够的定量研究。常等人在研究中通过在核磁共振图像中测量胫腓近端关节各个投影面的投影面积，发现近端胫腓关节的形态和2年后患者软骨丢失有关。虽然研究指出Kellygren-Lawrence分级二级和三级的患者，以及手术耐受性差，并发症多的患者推荐进行腓骨截骨术，但对于膝关节周围形态学不同的患者施行手术后效果的差异，目前并没有研究做出指导。 目的： 应用三维有限元方法，我们收集了两例患者的CT和磁共振图像，使用MIMICS软件中的切割和光滑命令以同一患者的CT和磁共振图像建立该患者在近端胫腓关节面面积不同，以及近端胫腓关节面与胫骨平台面夹角不同的情况下的下肢模型，再在SolidWorks软件中在腓骨头下方6厘米左右位置，使用切割功能切割出2厘米的胫骨节段并将其去除，作为腓骨截骨术后的三维模型。模拟近端胫腓关节角度和面积不同的情况下膝关节在腓骨截骨术前后的力学变化，探讨适合腓骨截骨术的患者的特征。为临床判断患者是否适合施行腓骨截骨术提供新的依据。 方法： 我们收集了一例轻度膝关节骨性关节炎患者和一例健康受试者的CT和核磁共振图像并基于图像使用MIMICS、GeomagicWrap和SolidWorks软件建立了腓骨截骨术前后、以及胫腓近端关节角度、面积改变后的有限元模型。将构建好的有限元模型在Ansys软件中进行静态结构分析，对比了不同角度、面积的情况下腓骨截骨术前后vonMises应力分布和最大vonMises应力变化程度是否有改变。 结果： 在腓骨截骨术前，胫骨和腓骨都是负重的，但胫骨的负荷量远大于腓骨。然而，手术后只有胫骨被加载。用有限元应力云图显示了腓骨截骨术前后胫骨软骨的应力分布规律。结果表明，股骨软骨内侧的应力分布面积大于股骨软骨外侧。股骨软骨内侧的应力在术后降低。术后胫骨内侧软骨的应力降低，胫骨外侧软骨的应力增加。这显示，术后应力从内侧向外侧转移。手术前取每组手术前后的各位置vonMises应力的差值和手术前后胫骨平台内外侧受力占比的差值，进行统计学分析。结果表明，近端胫腓关节角度较大时，手术前后的最大应力值变化和胫骨平台负荷转移不明显，而在近端胫腓关节角度较小时，手术前后最大应力值变化和胫骨平台负荷转移更明显，差异具有统计学意义。本文首先通过六组腓骨截骨术前后应力云图的对比证明腓骨截骨术后膝关节外侧的负荷占比增加而内侧负荷占比降低，验证了腓骨截骨术对病人膝关节内侧负荷过重的缓解效果。之后，我们通过对比两个患者在近端胫腓关节面积、角度不同的情况下膝关节的受力分布，证明了近端胫腓关节形态对膝关节受力的影响，这解释了前人的研究中发现的近端胫腓关节形态和骨关节炎病情发展有关的现象。最后，通过对比同一受试者不同近端胫腓关节面积和角度的情况下，腓骨截骨术前后最大应力的变化，以及内侧胫骨平台负荷占比改变情况，发现了近端胫腓关节和胫骨平台夹角更小时和近端胫腓关节面积较大时，进行腓骨截骨术效果更加显著，近端胫腓关节形态对腓骨截骨术的效果的影响给临床上骨关节炎病人是否要进行腓骨截骨术提供了新的判断标准。 结论： 通过有限元分析，我们发现腓骨截骨术可以有效降低膝关节内侧的压力，使内侧过重的负荷向膝关节外侧转移。此外，较小的近端胫腓关节胫骨平台夹角会导致膝关节内侧负荷较重，这样的形态可能会加重膝关节内侧的骨关节炎症状，与此同时，近端胫腓关节面积较大时进行腓骨截骨术前后内侧胫骨间室压力缓解更明显。最后，我们发现对近端胫腓关节面与胫骨平台夹角较小的患者进行腓骨截骨术，手术前后膝关节内侧的负荷缓解更明显，所以更推荐这类病人进行腓骨截骨术。
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