摘要
目的：研究分析胫骨高位截骨术（HTO）中内固定最远端两颗螺钉不同长度配置对其生物力学性能的影响。方法：选取1例膝关节骨关节炎患者，进行下肢全场64排螺旋CT扫描获得所需数据，采用有限元分析技术构建基于Tomofix钢板，钢板远端使用不同长度螺钉固定，对胫骨平台表面施加三倍体重的载荷，比较不同模型应力与位移变化情况。结果：结合应力与位移数据，次远端单皮质置钉的螺钉应力峰值为348.7 MPa，与正常置钉相近，胫骨应力峰值为98.7 MPa，在所有置钉方式中最低，位移形变15.63 mm，控制良好。较于其他方式，远端或次远端不置钉时胫骨和螺钉应力形变显著升高，风险增加。结论：次远端单皮质置钉在平衡内固定与骨骼负载方面表现最佳，为最优置钉方式。HTO手术时钢板远端使用单皮质螺钉具有可行性。
Abstract
Objective To analyse the effect of different length of the two distal screws of internal fixation on the biomechanical properties in High Tibial Osteotomy (HTO). Methods Selecting one patient with knee osteoarthritis and perform a 64-slice spiral CT scan of the lower extremity to obtain the required data. Using finite element analysis techniques, the Tomofix-based steel plate was constructed and the distal end of the plate was fixed using screws of different lengths, and a load of three times the body weight was applied to the surface of the tibial plateau to compare the changes in stress and displacement in different models. Results Combining the stress and displacement data, the sub-distal single cortical nailing had a peak screw stress of 348.7 MPa, which was similar to the normal nailing, and a peak tibial stress of 98.7 MPa, which was the lowest among all the nailing modalities, with a displacement deformation of 15.63 mm, which was well controlled. Tibial and screw stress deformations were significantly higher with distal or subdistal non-nailing than with other modalities, with increased risk. Conclusion The subdistal single cortical nailing performed best in balancing internal fixation and bone loading, and was the optimal nailing method. Taken together, the use of single-cortical screws at the distal end of the plate during HTO surgery is feasible.
膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是全球残疾负担的主要原因之一，预计到2050年，KOA发病率将增加74.9%[1]。据调查分析，我国KOA发病率为18%，症状性KOA超过8.1%，且发病率随着年龄的增加显著增高[2-3]。随着我国人口老龄化形势加重，KOA的发病率与致残率不断升高，60岁以上人群中KOA患病率可达60%，75岁以上则高达80%[4]。内翻型KOA是常见的类型，膝关节内翻导致内侧胫股关节间室应力增加，加速关节退变[5]。胫骨高位截骨术（high tibial osteotomy，HTO）通过纠正下肢力线，降低内侧间室负荷，从而减轻症状、延缓关节退变[6]。
自首次报道采用双平面截骨术和锁定钢板固定的创新外科手术取得良好的临床效果以来，HTO已得到广泛应用[7-8]。众所周知，特殊的长锁定钢板，如Tomofix板（美国强生公司），在截骨部位提供良好的稳定性，在术后早期承重，矫正丢失或骨愈合受损的风险低。钢板远端螺钉通常是双层皮质固定的[9-10]，但是在锁定板上钻孔远端螺钉时，腿部骨间膜上包含腓深神经的神经血管束存在损伤的潜在风险[11-12]。锁定板远端螺钉的延伸轨迹可能通过靠近位于胫骨后侧壁的神经血管束，神经血管束损伤可能发生在双皮质固定钻孔过程中。Tomofix板的远端螺钉的风险相对较高。为了避免这种风险，建议单皮质固定一些远端螺钉[12]。本研究通过有限元方法设计6种不同HTO内固定置钉方式，分析使用Tomofix钢板内固定的最远端两颗螺钉的生物力学特性，对比其与正常置钉方式的生物力学差异。
1 材料与方法
1.1 模型建立
选取1例膝关节骨关节炎患者，70岁，体质量75 kg。进行下肢全场64排螺旋CT扫描（美国GE公司）。扫描参数设置：球管电压120 kV，电流 150 mA，层厚0.625 mm，获得DICOM格式数据。将数据导入Mimics 22.0软件（比利时Materialise公司），调节灰度阈值，实现胫骨重建，导出点云txt格式文件。将文件导入Geomagic 20l4软件（美国Geomagic公司）生成NURBS曲面，拟合曲面，同时生成胫骨软骨，以iges格式文件输出。应用Solidworks 2020软件（美国SolidWorks公司）实现三维虚拟重建，倒入钢板，空心螺钉设计矫形模型并装配。然后将二者分别以iges格式导出，其中钢板固定方式如表1所示。再将模型导入到Hypermesh 2019软件（美国Altair公司）进行网格划分，导出inp格式文件。最后在有限元分析Abaqus CAE 2019软件（美国Dassault Simulia公司）中进行材料赋值及力学加载分析。
1.2 材料属性
股骨及空心螺钉设置为各项同性、均质、连续的材料[13]。材料属性见表2。
1.3 边界条件和载荷
应力加载：胫骨远端固定，在胫骨软骨上施加0.75 Pa压强（软骨上表面积为3024 mm2，加载患者3倍体重的应力，根据公式计算出压强为0.75 Pa）。
1.4 主要观察指标
基于CT数据对不同长度螺钉内固定的HTO模型不同进行三维重建，对比分析胫骨和内固定周围的应力分布和位移分布，评价不同方式内固定的优劣。
表16种HTO手术模型方案
表2不同材料的材料参数
2 结果
正常置钉时，螺钉的峰值应力为350.2 MPa，模型的峰值位移为15.61 mm，胫骨的峰值应力和位移分别为101.9 MPa 和15.09 mm。当采用远端单皮质钉时，螺钉上的峰值应力略微下降至317.9 MPa，模型的峰值位移也减小至15.55 mm，但这种置钉方法导致胫骨上的峰值应力显著增加至129 MPa。当远端和次远端都使用单皮质置钉时，螺钉上的峰值应力明显增加到450.3 MPa，模型的峰值位移增加到15.69 mm。仅次远端采用单皮质置钉，则钉上的峰值应力为348.7 MPa，与正常置钉的应力峰值相近，胫骨上峰值应力为98.7 MPa，在全部置钉方式中最低，位移形变为15.63 mm。然而，在次远端下不置入螺钉的情况下，螺钉上的峰值应力增加到476.8 MPa，为所有置钉方法中的最大值。同时，模型的形变位移增加到15.75 mm，胫骨的峰值应力达到147.5 MPa。在远端不打钉的情况下，螺钉的最大应力达到 350.6 MPa，同时模型的最大位移为15.66 mm。这一置钉方式导致胫骨承受负担更大，峰值应力增加至209.5 MPa，而其位移也达到了15.12 mm。模型的峰值应力结果见图1、2；峰值位移结果见图3、4。
图1轴向载荷下6种模型应力云图
图2轴向载荷下6种模型应力柱状图
图3轴向载荷下6种模型位移云图
图4轴向载荷下6种模型位移柱状图
3 讨论
本研究结果显示，不同的置钉方式对模型应力形变和位移形变有显著影响。远端和次远端的置钉方式的选择对胫骨应力和位移形变产生明显差异。远端不置钉时，胫骨承受最大应力，高达209.5 MPa，表明HTO手术时远端置钉对减轻胫骨负担至关重要。相比之下，次远端单皮质置钉时，胫骨应力形变最低。因此，次远端单皮质置钉在平衡螺钉与胫骨的应力分配、控制位移方面表现最佳，是综合最优的置钉方式。
在HTO手术中，钢板远端的螺钉长度需经过精心设计和计算，以确保最佳的固定和机械性能。在本研究中，发现螺钉长度的变化会显著影响钢板的应力分布、内固定的稳定性及整体结构的机械性能，可能对患者早期负重、截骨处愈合等产生影响。这一发现对于优化胫骨畸形矫正手术中的钢板固定设计非常重要。与使用全部两枚远端螺钉的双皮质固定相比，使用远端螺钉的锁定钢板单皮质固定不会损害正常HTO手术模拟模型的生物力学稳定性。对模型应力的影响微乎其微。考虑到双皮质钻孔手术可能带来的损伤神经血管束的风险，笔者强烈建议在使用长锁定板固定时首选次远端单皮质固定。
腓深神经是腓总神经的分支，控制着行走所必需的胫骨前肌和趾长伸肌。解剖显示，该神经沿着骨间膜与胫前动脉和静脉相伴，并逐渐接近胫骨。在钻孔进行双皮质固定时，很容易损伤该区域的神经血管束。因此，建议考虑选择远端单皮质螺钉固定，确保稳定性的同时，并避免穿透外侧皮质，降低神经损伤的风险。
在以前的许多研究中，4个螺钉中的3个螺钉的单皮质固定被认为是HTO中使用长锁定板的流行方法[14-15]。相比之下，在亚洲近些年的报道中可以看到大多远端螺钉是双皮质固定[16-17]。当使用锁定板时，双皮质固定能够提供更大的抗扭矩稳定性[18]。在此基础上，Itou等[19]研究发现，远端螺钉采用单皮质固定是一种更安全的手术方式，发生神经血管损伤的风险更低。
本研究的局限性：1）实验所用CT数据仅1例，限制了结论的普遍性。2）为方便计算，对三维模型进行了简化，这种简化可能导致模型与真实人体之间存在差异，进而影响结果的准确性。3）只对模型施加了垂直载荷，未能模拟运动过程中复杂的关节动态，仅评估了一种系统性能，使用不同的系统可能得到的实验结果会有所差异，限制了本研究结论的适用性。
由此可见，通过对胫骨畸形矫正钢板远端的两个不同长度螺钉进行有限元实验分析，了解螺钉长度对胫骨和钢板应力分布、骨折固定稳定性和整体结构力学性能的影响。本研究结果对于优化钢板固定设计和改善手术效果非常重要。在今后的研究中，将进一步探讨不同螺钉长度、钢板材料和手术技术对胫骨畸形矫正手术效果的影响，为临床实践提供更全面、更深入的手术思路。