腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析

背景：传统观点认为绝大多数的腓骨近端骨折是不需要固定的，他人和此次研究提示，近端腓骨结构对于膝关节后外侧结构的稳定性具有重要影响，其作用机制值得研究。

目的：探讨腓骨近端骨折对于伸直状态膝关节各结构生物力学的影响。

方法：运用有限元方法进行仿真生物力学试验。选用1名健康青年男性志愿者膝关节MRI和CT影像数据资料建立伸直状态下的膝关节有限元模型，并模拟4种近端腓骨形态：模型A为完整模型，模型B为腓骨头下以远1 cm骨折模型，模型C为腓骨近端最顶端向远端1 cm的尖端缺损骨折模型，模型D为腓骨近端最顶端向远端2 cm的骨缺损模型。在股骨干上施加纵向集中载荷1 500 N，对比分析膝关节伸直状态下，4种工况下膝关节各个结构最大等效应力、最大第一主应力的分布以及改变趋势。

结果与结论：①模型A胫骨软骨、半月板外侧室最大等效应力大于内侧；胫骨平台、半月板内侧室最大第一主应力大于外侧；股骨软骨内侧髁最大等效应力大于外侧髁，股骨软骨内侧髁最大第一主应力大于内侧髁；②相较于模型A，模型C的软骨、半月板的最大等效应力和最大第一主应力大小以及分布情况无明显差异；③相较于模型A，模型B的最大等效应力上升幅度依次为内侧胫骨软骨(14.9%)，股骨软骨内侧髁(13.6%)，内侧半月板(6.6%)；最大第一主应力上升幅度依次为内侧半月板(11.06%)，内侧胫骨软骨(8.65%)，股骨软骨内侧髁(7.46%)；韧带的最大等效应力上升幅度依次为：腘弓状韧带(33.2%) >前交叉韧带(21.3%) >腓侧副韧带(17%) >后交叉韧带(14.3%) >前外侧副韧带(13.2%) >内侧副韧带(10.1%)；④相较于模型A，模型D的最大等效应力上升趋势依次为内侧胫骨软骨(19.5%)，股骨软骨内侧髁(17.9%)，内侧半月板(9.9%)；最大第一主应力依次为内侧半月板(14.04%)，内侧胫骨软骨(13.03%)，股骨软骨内侧髁(11.37%)；韧带最大等效应力上升趋势依次为：前交叉韧带(25.2%) >后交叉韧带(18.9%) >内侧副韧带(18.5%) >前外侧副韧带(12.7%)；⑤提示在膝关节伸直情况下，腓骨头下1 cm骨折和2 cm腓骨尖端骨缺损对内侧室软骨、前交叉韧带以及后外侧韧带复合体结构的影响较大。

关键词：腓骨近端骨折；有限元分析；生物力学；半月板；关节软骨

0 引言 Introduction

腓骨近端骨折是骨科常见的损伤，通常与胫骨平台骨折合并 [1-2]，但对其发生机制和临床治疗效果仍然不清楚，预防各种术后并发症的发生仍然是临床治疗的难点 [3-5]。传统观点认为，绝大多数的腓骨近端骨折是不需要固定的，但近年来他人和作者的研究结果提示，近端腓骨结构对于膝关节后外侧结构的稳定性有重要影响，其作用机制值得研究 [6-8]。但是何种情况的腓骨近端骨折会影响胫骨平台的载荷能力和膝关节后外侧结构的稳定性，以及具体的影响机制目前还不清楚。在尸体骨难以获得的背景下，有限元分析凭借着低成本高效率的优势在临床上被广泛使用。以往腓骨相关的有限元研究主要集中在腓骨高位截骨对膝关节各部件的影响，并未涉及到腓骨近端结构。作者课题组于 2012 年进行胫骨平台骨折力学模拟实验发现，腓骨颈上方的位移值最大，并且在随后的临床工作中采用胫骨平台、腓骨联合钢板内固定治疗合并腓骨近端骨折的 Schatzker Ⅴ、Ⅵ 型胫骨平台骨折已取得较满意的疗效，较单一固定胫骨平台预后好、力线对位好、后遗症少，而膝关节更为稳定 [8]。此次研究参考了前人的研究结果 [9]，并且结合了 CT 和 MRI 的优势，建立了 4 种不同类型伸直状态膝关节的三维有限元解剖模型。通过对比分析，研究腓骨近端骨折对膝关节半月板及软骨应力的影响，并尝试找出影响膝关节后外侧稳定性的腓骨近端骨折类型，希望为临床上改进胫腓骨近端骨折的治疗方式提供理论依据和生物模型参考；同时，也为解决其他膝关节疾病提供指导策略和可行方案。

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计膝关节三维有限元模型的建立及对比分析实验。

1.2 时间及地点实验于 2019 年 5-12 月在上海市浦东新区公利医院骨科、放射科及上海市同济大学生命与技术学院完成。

1.3 对象健康志愿者 1 例，男性，年龄 28 岁，体质量60 kg，身高 168 cm，既往无任何慢性病史以及膝关节相关病史，下肢所测得膝关节线参数经过对比在中国正常人群关节线水平范围内 [10]。志愿者对实验知情同意，并签署知情同意书。实验方案已经由上海市浦东新区公利医院医院伦理委员会批准，批件号：(2020) 研预审第 (21) 号。

1.4 材料

CT 扫描设备：上海市浦东新区公利医院影像科提供 64排螺旋 CT 机 (Siemens，Germany)，由股骨近端向近端腓骨远端垂直于胫骨纵轴行 CT 扫描，扫描至胫骨平台以远 50 cm，扫描层厚为 0.625 mm，床进速度为 1.3 mm/s，球管电流与电压为 500 mA 和 120.0 kV，得到完整膝关节 DICOM 数据。

MRI 扫描设备：MRI 扫描设备由上海市浦东新区公利医院影像科提供，在 MRI(EXCELART Vantage，Japan) 上扫描。扫描条件为扫描 3.5 mm，磁场强度 1.5 T，得到 DICOM 数据。

HP 工作站：实验工作站为同济大学生命科学院专业平台。

电脑相关处理软件：ITK-SNAP(Version 3.8.0，University ofPennsylvania，美国 )、Altair Hyper Works (Version2020，Altair，美国 )、ANSYS(Version 18.2，Ansys，美国 )。

1.5 方法

1.5.1 膝关节三维模型的建立将得到的 DICOM 格式的CT 图像数据和 MRI 图像数据导入三维医学图像处理软件ITK-SNAP，基于像素灰度值，分别分割股骨、腓骨、胫骨、髌骨的图像，并进行三角形表面网格重建，导出 STL 格式的文件。将 MRI 数据导入三维医学图像处理软件 ITK-SNAP，基于像素灰度值，分别分割股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、胫腓关节面软骨、髌骨软骨和半月板的图像，并进行三角形表面网格重建，导出 STL 格式的文件。

1.5.2 建立实体模型将所有 STL 格式的文件导入 AltairHyper Works，分别建立股骨、腓骨、胫骨、髌骨模型。将基于 CT 数据的股骨、腓骨、胫骨和髌骨模型与基于 MRI 数据的股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、胫腓关节面软骨、髌骨软骨和半月板模型进行配准，最终建立膝关节模型。

1.5.3 韧带添加以及四面体网格模型建立以杆单元建立膝关节内前交叉韧带、后交叉韧带、腘弓状韧带、胫侧副韧带、腓侧副韧带、前外侧副韧带。采用四面体单元 (Solid 185) 分别对所有骨、软骨及半月板划分有限元网格。共建立4种模型：模型 A 为正常模型，即腓骨近端完整的模型；模型 B 为腓骨头下以远 1 cm 骨折模型；模型 C 为腓骨近端最顶端向远端1 cm 与水平面成角 45° 的腓骨尖端缺损的骨折模型；模型 D为腓骨近端最顶端向远端 2 cm 与水平面呈 45° 骨块缺损的骨折模型。按照前人的研究设定胫骨、其他骨 ( 股骨、腓骨和髌骨 )、软骨、半月板、韧带的弹性模量 [11-13]，具体见表 1。

最大点位于外侧半月板的前角。模型 C 的位移分布相较于模型 A，差异极小。相较于模型 A，模型 B 和模型 D 的股骨软骨、半月板以及胫骨软骨的位移改变明显，位移增加集中在内侧髁；胫骨软骨和半月板位移最大点由外侧胫骨软骨和外侧半月板移动到内侧胫骨软骨体部边缘处和内侧半月板体部边缘处，而股骨软骨最大位移点差异不大。见图 7，8 及表 5。

与模型 A 相比，模型 B 的胫骨平台软骨最大等效应力和最大第一主应力的点位由内侧软骨半月板前角边缘尖端向体部移动，内侧胫骨软骨的受力面积增加，最大位移从外侧室转移到了内侧室。从表 2-6 可知：模型 B 的内侧室应力上升，外侧室应力下降，内侧室位移增量明显大于外侧室。这一现象与王琛等 [26] 观察到腓骨截骨后胫骨平台的现象趋势一致；韧带中腘弓状韧带、前交叉韧带和外侧副韧带的应力上升幅度大，腘弓状韧带对维持膝后外侧部稳定具有重要的作用，前交叉韧带在防止膝内翻发挥了重要作用，腓侧副韧带限制膝关节内翻外旋及前后位移 [27]。模型 B 的外侧股骨软骨位移下降明显，这跟通常骨折后位移增加的一般规律不同，作者猜测可能是因为在一个稳定模型中，由于附着在股骨上韧带的代偿性拉紧导致的。结合各部分的应力和位移趋势，说明在膝关节伸直状态下，腓骨头下以远 1 cm 骨折使膝关节有着内翻的趋势，膝关节稳定性受损。

参考文献：[1]汪嘉琪,唐江安,黄国华等.腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析[J].中国组织工程研究,2024,28(30):4757-4762.

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