沈健堅(jiān)，劉姮瑩，丁煥文，張志成，姜志強(qiáng)，李 穎

骨巨細(xì)胞瘤（giant cell tumor of bone，GCT）屬于交界性骨腫瘤，發(fā)病率占所有原發(fā)性骨腫瘤的5%～20%[1-3]，脛骨近端和股骨遠(yuǎn)端較為常見，約占全身GCT的60%～70%[4]。對(duì)于脛骨近端GCT，主要的手術(shù)方式包括腫瘤刮除術(shù)、腫瘤切除術(shù)和截肢術(shù)，而腫瘤切除后的重建方式主要有自體骨/異體骨/骨水泥+內(nèi)固定、腫瘤型假體/異體骨復(fù)合腫瘤型假體重建等[5]。目前對(duì)于脛骨近端GCT整塊切除術(shù)后重建的生物力學(xué)，相關(guān)研究較為匱乏。本文對(duì)鎖定鋼板復(fù)合個(gè)性化同種異體骨重建脛骨近端GCT術(shù)后骨缺損進(jìn)行生物力學(xué)有限元分析，旨在為臨床治療提供力學(xué)參考數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 建立雙下肢骨關(guān)節(jié)和腫瘤病灶區(qū)域三維解剖模型

選擇1例脛骨近端GCT患者（男，42歲，175 cm/70 kg），采用64排雙源螺旋CT（SIEMENS公司，德國(guó)）進(jìn)行雙下肢骨骼薄層掃描，層厚0.75 mm，獲取雙下肢骨關(guān)節(jié)的二維圖像數(shù)據(jù)，以DICOM格式輸出保存。采用1.5T MRI掃描儀（SIEMENS公司，德國(guó)）對(duì)腫瘤病灶區(qū)域進(jìn)行薄層掃描，層厚1 mm，選擇T2脂肪抑制序列圖像并以BMP格式輸出保存。分別將骨關(guān)節(jié)和腫瘤病灶數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件（Materialise公司，比利時(shí)），通過(guò)閾值分割、區(qū)域增加、面罩編輯、三維重建等操作，建立雙下肢骨關(guān)節(jié)和腫瘤病灶三維解剖模型（圖1，2）。

圖1 雙下肢骨關(guān)節(jié)三維解剖模型 圖2腫瘤病灶三維解剖模型

1.2 腫瘤病灶的測(cè)量和切除范圍的確定

將雙下肢骨關(guān)節(jié)和腫瘤病灶的三維模型以STL文件導(dǎo)入Imageware軟件（EDS公司，美國(guó)），通過(guò)點(diǎn)云對(duì)齊工具將腫瘤病灶與下肢骨關(guān)節(jié)三維模型進(jìn)行圖像融合。計(jì)算機(jī)輔助分析腫瘤的區(qū)域形狀和浸潤(rùn)范圍，根據(jù)惡性骨腫瘤的外科切除原則來(lái)確定腫瘤的近端和遠(yuǎn)端切除范圍。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)個(gè)性化骨修復(fù)體和內(nèi)固定物

根據(jù)Imageware軟件中腫瘤病灶切除范圍的參數(shù)結(jié)果，設(shè)計(jì)腫瘤病灶近端和遠(yuǎn)端截骨平面，近端設(shè)計(jì)為由3個(gè)截骨面組成的梯形截骨面，遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)為與脛骨干垂直的截骨平面（圖3）。通過(guò)鏡像工具建立脛骨鏡像體，通過(guò)點(diǎn)云對(duì)齊，擬合腫瘤病灶切除范圍及鏡像體的輪廓線，建立個(gè)性化骨修復(fù)體的輪廓線。通過(guò)曲面構(gòu)建工具，擬合個(gè)性化骨修復(fù)體的曲面，將脛骨近端、遠(yuǎn)端和個(gè)性化骨修復(fù)體曲面以iges格式保存。

將脛骨近端、遠(yuǎn)端和個(gè)性化骨修復(fù)體曲面導(dǎo)入U(xiǎn)G NX軟件（SIEMENS公司，德國(guó)），通過(guò)鏈接面、縫合曲面工具，生成三維實(shí)體模型。導(dǎo)入腫瘤病灶近端和遠(yuǎn)端截骨平面，通過(guò)修剪體工具將個(gè)性化骨修復(fù)體修剪成與腫瘤病灶切除范圍完全匹配的模型結(jié)構(gòu)，同樣根據(jù)腫瘤遠(yuǎn)端截骨平面修剪脛骨遠(yuǎn)端三維實(shí)體模型。通過(guò)鏈接面、縫合曲面工具形成封閉的實(shí)體，將個(gè)性化骨修復(fù)體近端切除部分與脛骨近端進(jìn)行布爾邏輯求和，生成脛骨近端三維實(shí)體模型。

選擇16孔Golf鎖定加壓鋼板（天津威曼公司），激光抄數(shù)獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入U(xiǎn)G NX軟件，進(jìn)一步擬合成曲線和曲面，形成三維實(shí)體模型，以STL文件導(dǎo)出保存。其中螺釘三維模型設(shè)計(jì)為直徑3.5 mm的圓柱體。

圖3 腫瘤病灶近端、遠(yuǎn)端截骨平面的設(shè)計(jì)

圖4 鎖定鋼板復(fù)合個(gè)性化同種異體骨的三維模型

1.4 建立鋼板固定修復(fù)腫瘤切除后骨缺損三維實(shí)體模型

將脛骨近端、脛骨遠(yuǎn)端、腓骨、個(gè)性化骨修復(fù)體、鋼板和螺釘三維實(shí)體模型以STL格式導(dǎo)入Mimics軟件，在CMF/Simulation模塊中利用Reposition工具的平移、旋轉(zhuǎn)功能，按照骨腫瘤切除術(shù)后重建骨缺損的方法、進(jìn)行模型裝配，建立鋼板固定修復(fù)腫瘤切除后骨缺損三維模型（圖4）。以STL文件保存并導(dǎo)入Geomagic Studio（Geomagic公司，美國(guó)）逆向工程軟件，通過(guò)開流型、松弛、平滑、祛除特征等工具進(jìn)行光滑處理，后借助探測(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(guò)擬合曲面工具形成封閉的三維實(shí)體模型，以iges格式保存。

1.5 鋼板固定修復(fù)腫瘤切除后骨缺損的有限元仿真分析

將建立的三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 2.0軟件（ANSYS公司，美國(guó)）的DM模塊中，其中布爾邏輯運(yùn)算設(shè)置為Add Frozen，生成鎖定鋼板固定修復(fù)脛骨近端骨缺損的有限元模型。

參考灰度值賦值法構(gòu)建的脛骨材料屬性數(shù)值[6]，添加脛骨近端和個(gè)性化同種異體骨的材料屬性為彈性模量8 GPa、泊松比0.3，脛骨遠(yuǎn)端和腓骨的材料屬性為彈性模量11 GPa、泊松比0.3；鎖定加壓鋼板和螺釘為Ti-6AL-4v，其材料屬性為彈性模量110 GPa、泊松比0.3[7]。模擬軸向加壓時(shí)鎖定鋼板和螺釘?shù)慕佑|皆定義為Bonded焊接，脛骨近端與個(gè)性化骨修復(fù)體、個(gè)性化骨修復(fù)體與脛骨遠(yuǎn)端、脛腓骨接觸定義為No seperation；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3 mm，鋼板和螺釘為1 mm，生成554 781個(gè)節(jié)點(diǎn)、353 208個(gè)四面體的網(wǎng)格單元（圖5）。如圖6所示，邊界條件約束為脛骨下關(guān)節(jié)面和腓骨外踝，且X、Y、Z6個(gè)方向的自由度均定義為0。根據(jù)步行時(shí)脛骨近端承受3倍體重的軸向載荷[8]，且內(nèi)外側(cè)平臺(tái)載荷分配比例為60%：40%[9]，計(jì)算F=70 kg× 9.8 N/kg× 3=2 058 N，插入載荷類型為Force，脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)為受力點(diǎn)，分別施加在內(nèi)側(cè)平臺(tái)1 235 N、外側(cè)平臺(tái)823 N，方向定義為垂直向下。插入求解的選項(xiàng)為等效應(yīng)力、整體位移和方向位移，進(jìn)行仿真力學(xué)分析。

2 結(jié)果

在模擬3倍體重的軸向載荷作用力下，脛骨骨骼的等效應(yīng)力集中分布在脛骨中下段1/3前內(nèi)側(cè)，鎖定鋼板的等效應(yīng)力集中分布在與骨缺損區(qū)域相對(duì)應(yīng)的鎖定鋼板中段，鋼板前后緣應(yīng)力分布均勻、應(yīng)力大小在11.527～23.055 Mpa，最大應(yīng)力發(fā)生在鋼板近端第5枚螺釘與釘孔接觸處（25.936 MPa，圖7）。

如圖8，9所示，在軸向位移分布上，脛骨近端內(nèi)側(cè)平臺(tái)、個(gè)性化同種異體骨近端在Z軸上最大位移分別是0.293、0.272 mm。在側(cè)方位移分布上，脛骨近端在X、Y軸上最大方向位移分別為0.718、0.571 mm，脛骨近端整體向內(nèi)側(cè)、前方移位；個(gè)性化同種異體骨近端和遠(yuǎn)端在X、Y軸上的最大方向位移分別為0.668、0.572 mm和0.095、0.370 mm，均存在向內(nèi)側(cè)、前方移位。

圖5 有限元網(wǎng)格模型

圖6 邊界和載荷的設(shè)定

圖7 模擬軸向加壓試驗(yàn)的應(yīng)力分布云圖

圖8 脛骨近端各方向位移分布云圖

3 討論

目前普遍認(rèn)為，對(duì)于CampanacciⅠ、Ⅱ級(jí)以及軟組織腫塊可以切除的Ⅲ級(jí)GCT，囊內(nèi)擴(kuò)大刮除術(shù)仍然是標(biāo)準(zhǔn)的治療方式，但術(shù)后復(fù)發(fā)率高達(dá)10%～40%[5]；腫瘤整塊切除術(shù)雖然可以大大降低術(shù)后局部復(fù)發(fā)率，但存在術(shù)后假體相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率較高、肢體功能不佳等問(wèn)題[10]。多中心回顧性研究表明，擴(kuò)大刮除+結(jié)構(gòu)性植骨/骨水泥+內(nèi)固定的術(shù)后患者功能優(yōu)于大塊切除+假體重建[11]。如何在整塊切除腫瘤病灶的同時(shí)能夠?qū)嵤┙Y(jié)構(gòu)性植骨+內(nèi)固定，以期達(dá)成更低的腫瘤復(fù)發(fā)率和更好的肢體功能，是本研究的目標(biāo)之一。

圖9 個(gè)性化骨修復(fù)體各方向位移分布云圖

我們通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法建立三維解剖模型和實(shí)體模型，精確測(cè)量和分析腫瘤范圍，實(shí)現(xiàn)腫瘤整塊切除及個(gè)性化同種異體骨+鎖定鋼板重建骨缺損。然而，這種重建方式的生物力學(xué)性能如何，目前仍缺乏相關(guān)報(bào)道。李繼鋒等[12]對(duì)成人脛骨近端不同長(zhǎng)度的骨缺損尸體標(biāo)本進(jìn)行體外力學(xué)測(cè)試，結(jié)果提示，脛骨近端內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)缺損≥15 mm或外側(cè)骨皮質(zhì)缺損≥20 mm時(shí)生物力學(xué)性能將顯著降低。但這一測(cè)試方法并不能充分反映上述重建方式的力學(xué)情況。

隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)和工程力學(xué)的快速發(fā)展，有限元法目前被廣泛應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，特別是在人工關(guān)節(jié)假體重建腫瘤型骨缺損方面，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)腫瘤假體的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性，為指導(dǎo)假體設(shè)計(jì)和優(yōu)化內(nèi)固定方式提供生物力學(xué)依據(jù)[13-14]。莫富灝等[15]利用有限元分析正常站立狀態(tài)下腫瘤型鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨-假體-脛骨復(fù)合體的應(yīng)力分布，結(jié)果顯示應(yīng)力明顯集中分布在股骨前1/3區(qū)域，與術(shù)后遠(yuǎn)期出現(xiàn)的股骨皮質(zhì)穿破位置一致。馬立敏等[16]建立骨水泥+鎖定鋼板修復(fù)股骨遠(yuǎn)端不同長(zhǎng)度缺損的三維有限元模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著骨缺損長(zhǎng)度的增加，應(yīng)力分布無(wú)明顯改變，但骨水泥位移明顯增加，提示發(fā)生螺釘松動(dòng)或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)加大?？梢娡ㄟ^(guò)有限元分析，能夠準(zhǔn)確分析腫瘤型骨缺損重建術(shù)后假體、內(nèi)固定物應(yīng)力集中的位置，有助于預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥。

本研究基于脛腓骨及腫瘤病灶的圖像數(shù)據(jù)建立三維解剖模型，精準(zhǔn)模擬腫瘤整塊切除術(shù)、個(gè)性化同種異體骨+鎖定鋼板修復(fù)骨缺損過(guò)程，最后建立的有限元模型能夠客觀真實(shí)地反映重建術(shù)后脛骨近端骨缺損的解剖結(jié)構(gòu)屬性。

進(jìn)一步對(duì)有限元模型進(jìn)行生物力學(xué)分析，結(jié)果顯示，在模擬正常人體單足行走、脛骨平臺(tái)承受峰值接近3倍體重的軸向載荷下，等效應(yīng)力主要集中分布在與骨缺損區(qū)域相對(duì)應(yīng)的鎖定鋼板，這是由于脛骨和鋼板的彈性模量不一，彈性模量大的物體會(huì)承受更多的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)[17]。而最大應(yīng)力發(fā)生在鋼板近端第5枚螺釘與釘孔接觸處，提示此處可能是最早發(fā)生螺釘斷裂的部位。理想的內(nèi)固定物其等效應(yīng)力分布應(yīng)均勻且應(yīng)力值較小，本研究中鋼板前后緣應(yīng)力分布均勻、應(yīng)力大小在11.527～23.055 Mpa，遠(yuǎn)低于鎖定鋼板的屈服強(qiáng)度（894～1 034 Mpa）[18]，提示其可提供足夠的力學(xué)穩(wěn)定性。

Bottlang等[19]研究證實(shí)骨折斷端軸向微動(dòng)在0.2～1 mm的范圍內(nèi)，可促進(jìn)骨折愈合。本研究方向位移分析結(jié)果顯示，脛骨近端內(nèi)側(cè)平臺(tái)在軸向壓縮方向（Z軸）的最大位移為0.293 mm，個(gè)性化同種異體骨近端最大位移為0.272 mm，具有促進(jìn)斷端骨愈合的作用。脛骨近端和個(gè)性化同種異體骨近端在X軸上最大方向位移分別為0.718、0.668 mm，個(gè)性化同種異體骨遠(yuǎn)端在Y軸上最大方向位移分別為0.370mm，證實(shí)其存在不同方向的側(cè)方移動(dòng)剪切力，而有限范圍內(nèi)的側(cè)方剪切力位移可促進(jìn)早期骨痂形成[20]?？傊?，基于上述有限元模型分析結(jié)果，可以推測(cè)在人體正常行走過(guò)程中，鎖定鋼板復(fù)合個(gè)性化同種異體骨重建術(shù)后骨缺損，可以為截骨平面提供有效的軸向壓縮和側(cè)方剪切力的刺激，利于截骨斷端的骨愈合。

然而，由于骨缺損范圍較大，相對(duì)應(yīng)的鋼板整體承受較大的應(yīng)力，同種異體骨遠(yuǎn)期愈合過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)骨吸收、骨不愈合而導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。因此，我們?cè)趶氐浊谐[瘤病灶的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少對(duì)正常骨質(zhì)的切除，降低內(nèi)固定應(yīng)力集中的范圍；至于鋼板長(zhǎng)度上的選擇，應(yīng)盡可能超過(guò)骨缺損遠(yuǎn)端5～6枚螺孔，以分散應(yīng)力，避免術(shù)后發(fā)生鋼板和螺釘?shù)乃蓜?dòng)斷裂。

本研究的不足之處在于：①本研究在建模上采用簡(jiǎn)化模型法，忽略了肌肉、韌帶組織建模以及在施載條件下肌肉和韌帶組織的力量分布情況。②未進(jìn)行模型的疲勞分析和循環(huán)分析，對(duì)其可能發(fā)生的鋼板和螺釘松動(dòng)、斷裂預(yù)測(cè)不足。今后將通過(guò)X線片隨訪觀察來(lái)驗(yàn)證螺釘、鋼板的受力情況，同時(shí)對(duì)鎖定鋼板復(fù)合同種異體骨重建脛骨近端巨大骨缺損的尸體標(biāo)本模型，進(jìn)行體外力學(xué)測(cè)試，探討內(nèi)固定失敗與研究結(jié)果的相關(guān)性，從而為脛骨近端GCT術(shù)后骨缺損重建提供生物力學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。