有限元法分析不同截肢术后胫腓骨远端的应力和位移变化*

宋登新，曹云，何小文，丁徐，易成腊

(1.上海市第一人民医院宝山分院骨科，上海 200940；2.华中科技大学同济医学院附属同济医院创伤外科，武汉 430030)

1 引 言

小腿截肢是一种十分常见的手术，随着假肢技术的不断进步，患者对残肢的利用度越来越高，完善的截肢技术对患者的生活质量起着重要的作用。传统小腿截肢与骨肌肉成形切断术，是小腿经胫腓骨截肢手术的两类方法[1-3]，但其力学特点尚未见报道。本研究利用有限元分析，研究这两种小腿截肢术后胫腓骨远端应力—位移分布规律，寻找符合生物力学原理的小腿截肢方法，为临床应用提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 实验动物与分组

6～9月龄的健康山羊12只。雌雄不限，体重20～25 kg，随机分为实验组和对照组，每组6只。实验过程中对动物处置符合动物伦理学标准。

2.2 模型制作

术前动物禁食水24 h，肌肉注射速眠新0.1 ml/kg麻醉。

2.2.1传统小腿截肢术 在截骨平面的稍下方切断胫骨四周肌肉。结扎、切断血管和神经。暴露朗非节(腓骨)，在胫骨截骨面下环形切开骨膜，锯断胫骨，缝合伤口。

2.2.2骨肌肉成形切断术 在截骨平面远端约7～8 cm处，将胫骨纵形切开，保留0.6～0.8 cm厚内侧骨面及其附着的骨膜和肌肉组织，切断后旋转胫骨远端的骨桥，多余胫骨部分切断并旋转与朗非节缝合固定(模拟人的腓骨)。术后3 d，每日肌肉注射青霉素80万单位。两组在同一生长环境下饲养六个月后，通过肌肉注射苯巴比妥处死动物，留取新鲜胫腓骨标本。将新鲜标本取材后用双层保鲜塑料袋封闭，置于-20℃恒温冰柜冷冻保存，在该温度下保存标本、骨与韧带的生物力学特性无改变。

2.3 建模

2.3.1建模主要设备与软件 螺旋CT (Siemens somatom sesation 40)；HP工作站(基本配置：CPU 2．8GHZ，内存2G，硬盘400GB)：Simpleware 6.0和Abaqus 6.12有限元分析软件。

2.3.2三维有限元模型的建立 取两组羊胫腓骨标本，进行CT断层成像，在CT扫描过程中标本在胫骨纵轴方向上保持不动，由近端向远端进行扫描，扫描层厚为0.6 mm，层间距0.6 mm。床进速度为1.3 mm/s，球管电流与电压为275 mA和120.0 kV。将扫描得到的Dicom数据转换为Jpg格式保存。分别将两组CT图像数据导入到Simpleware6.0中，在ScanIP模块中进行图像的分割处理，建立了两个不同模型相应的肌肉及套筒图像，并将处理完成的图像转化成三维模型，设置材料属性、接触关系等参数并对三维模型进行网格划分及接触设定。最后输出inp格式的文件，以供有限元软件进行仿真分析。见图1、图2。

图1 骨肌肉成形切断术仿真有限元模型

图2 传统小腿截肢术仿真有限元模型

采用三维十节点四面体实体单元网格化。假设胫腓骨均为连续、均质、各向同性的线弹性材料，羊的腓骨：1.1×104 Mpa，泊松比为0.2；胫骨：1.7×104 Mpa，泊松比为0.3；肌肉：0.1 Mpa，泊松比为0.3；套筒：1.9×105 Mpa，泊松比为0.31。

2.3.3建立计算模型 按照本课题设计要求和建模原则对胫腓骨标本进行仿真模拟，分别建立传统的小腿截肢和骨肌肉成形切断术的有限元计算模型。将两组标本inp格式的文件导入Abaqus中，添加载荷和边界条件，进行有限元计算分析，输出受力分布云图，位移云图等数据。

2.3.4载荷及边界条件 正常站立位，胫骨干长轴与人体中轴线平行。加载条件为对胫骨近端施加沿人体中轴线的轴向载荷。通过模拟人单足站立时生理应力做加载，具体数值为600 N。边界条件为胫腓骨远端完全固定，即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为0。套筒底部球面区域添加固定端约束。肌肉与套筒，肌肉与腓骨，肌肉与胫骨添加接触。

3 结果

建立完整的骨肌肉成形切断术和传统的小腿截肢术胫腓骨远端三维有限元模型，对两组标本定义相同的单元类型，施加相同的约束条件，分别计算出胫腓骨远端位移和应力值，应力值的单位是Mpa，位移值的单位是m，见图3～图6(只列出抗压缩载荷)。

图3 骨肌肉成形切断术抗600N垂直载荷胫腓骨的位移图

Fig3Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

图4 传统小腿截肢术抗600N垂直载荷胫腓骨的位移图

Fig4Thedisplacementmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

图5 骨肌肉成形切断术抗600N垂直载荷胫腓骨的应力云图

Fig5Thestressmapofthetibiaandfibulaintranstibialosteomyoplasticamputationwhenverticalloadwas600N

图6 传统小腿截肢术抗600N垂直载荷胫腓骨的应力云图

Fig6Thestressmapofthetibiaandfibulaintraditionaltranstibialamputationwhenverticalloadwas600N

3.1 两组模型加载600 N载荷时位移变化

胫腓骨远端最大相对位移在对抗内收、外展和旋转载荷时两组差别无显著性(P>0.05)，在对抗屈曲、伸直、压缩载荷时骨肌肉成形切断术最大相对位移比传统组小，两组差别有显著性(P<0.05)；胫腓上联合的相对位移在对抗压缩和旋转载荷时两组差别无显著性(P>0.05)，在对抗伸直、屈曲、外展载荷时骨肌肉成形切断术的胫腓上联合的相对位移比传统组小，对抗内收载荷时骨肌肉成形切断术的胫腓上联合的相对位移比传统组大，差别有显著性(P<0.05)。

3.2 两组模型加载600 N载荷时应力变化

腓骨所承受的应力在对抗内收载荷时两组差别无显著性(P>0.05)，在对抗屈曲、伸直、外展、压缩和旋转载荷时骨肌肉成形切断术的腓骨的所承受应力增加，差别有显著性(P<0.05)；胫腓上联合所承受的应力在对抗内收载荷时差别也无显著性(P>0.05)，在对抗屈曲、伸直、外展、压缩和旋转载荷时骨肌肉成形切断术的胫腓上联合所承受的应力减少，差别有显著性(P<0.05)，见表1～表4。

表1 胫腓骨相对最大位移(m)

表2 胫腓上联合的相对位移 (m)

表3 腓骨应力变化(MPa)

表4 胫腓上联合应力变化(MPa)

4 讨论

近年来，由于外伤和疾病所致截肢患者数量逐年增多，截肢给患者身体和精神上造成痛苦和不便，给家庭和社会带来直接的经济负担[4]，据2007年美国统计，64.6%的下肢截肢都是小腿经胫腓骨截肢[5]。截肢后，残肢的远端通过接触假肢的套接部承受体重，体重载荷传递模式是残肢发挥功能的重要保证[6-7]。小腿截肢和假肢的理论技术不断更新[8-9]，完善的截肢技术可以使患者更好的利用假肢，明显提高生活质量[10-11]。Ertl于1949年提出“骨肌肉成形切断术”，利用骨或骨膜成形技术来闭合胫骨骨髓腔和融合胫腓骨获得一个稳定的肢体远端结构[12-13]，与传统小腿截肢术一起构成小腿经胫腓骨截肢手术的两种主要技术，但目前，其力学特点尚未见报道，也无相关的研究来指导其临床应用。

针对目前情况，本研究利用三维有限元分析小腿截肢残留的胫腓骨应力和位移情况，通过模拟人单足站立对抗屈曲、伸直、外展、内收、压缩和旋转载荷时，观察对比两种手术标本中胫腓骨最大相对位移、胫腓上联合的相对位移、腓骨和胫腓上联合的应力来研究传统小腿截肢与骨肌肉成形切断术残肢的力学特点。本研究数据显示：在相同的负载条件下，骨肌肉成形切断术残端在对抗屈曲、伸直、压缩载荷时胫腓骨之间的最大相对位移比传统截肢术明显减少；在对抗屈曲、伸直、外展载荷时胫腓上联合的相对位移比传统截肢术明显减少，仅仅在对抗内收载荷时胫腓上联合的相对位移比传统截肢术有所增加；在对抗屈曲、伸直、外展、压缩和旋转载荷中腓骨所承受的应力比传统截肢术明显增加，同时胫腓上联合所承受的应力比传统截肢术明显减少。

本研究结果提示骨肌肉成形切断术残肢骨骼生物力学优于传统的小腿截肢，主要体现在对抗屈曲、伸直、压缩时胫腓骨之间的相对位移小；在对抗屈曲、伸直、外展时胫腓上联合的相对位移小；在对抗屈曲、伸直、外展、压缩和旋转中腓骨和胫腓上联合的应力均优于传统截肢患者，而传统截肢患者仅仅在对抗内收载荷时胫腓上联合的位移较小。因此，我们认为骨肌肉成形切断术利用融合胫腓骨获得一个承重的肢体远端结构，使患者在利用假肢行走时，提供更大的假肢接触面分散接触应力，增加腓骨承受力并稳定上胫腓联合，消除腓骨在受力时存在的不稳定，具有良好的生物力学效果。

小腿经胫腓骨截肢残端的实际受力情况是多种载荷的叠加，较为复杂，本研究将羊骨简化为弹性材料，并忽略了肌肉韧带因素的影响，与实际情况有所偏差，但这种简化和省略是必要和可行的，通过有限元法研究小腿残端胫腓骨受力和位移情况，指导小腿截肢的应用，具有重要临床意义。