研究利用CT数据成功建立了外形结构真实准确、生物力学仿真度高的假关节术后有限元模型，患侧胫腓骨模型总节点数为9 751、四面体单元数为32 948个，健侧胫骨有限元模型总节点数为6 072个、四面体单元数为19 116个。通过对胫骨和腓骨远端限制其6个方向自由度后，分别在胫骨和腓骨上施加上述7组载荷。

组Ⅰ-组Ⅵ载荷下峰值Von Mises应力分别为26.73，22.41，18.09，13.78，9.71，6.97，8.36，5.44 MPa。结果所示，当胫骨近端施加75 N 应力后其Von Mises应力峰值为全组最高，达26.73 MPa，此后伴随主要应力从胫骨向腓骨转移，Von Mises应力峰值逐渐降低；当应力完全转移至腓骨近端后(组Ⅶ)，Von Mises应力峰值较组Ⅵ增高。值得关注的是无论假关节侧的应力如何分配，Von Mises应力峰值均高于健侧胫骨。

对胫、腓骨分别施加不同载荷情况后，Von Mises应力区域主要位于胫骨前后面的中下1/3段，见图4A-F；对胫骨不予施加载荷时，Von Mises应力集中区域转移至腓骨近端区域，见图4G；当对正常侧胫骨施加62.5 N载荷时，发现Von Mises应力区域更趋向于集中于胫骨前面中下1/3段，见图4H。与假关节侧胫骨应力分布区域明显不同，但与以往其他报道胫骨在垂直应力下应力分布区域相似[25]，表明该有限元模型具有较高可信度。

先天性胫骨假关节是一种罕见疾病，发病率为1/250 000-1/140 000[1]，该病以骨折难愈合、螺钉钢板固定等手术失败率高、常需多次手术为特点，术后假关节持续不愈合，是小儿骨科最难治疗的疾病之一[2-5]。由于手术方法的不断改进，目前先天性胫骨假关节患儿的初期愈合率已较前得到提高，但初期愈合后仍有部分患儿会发生再骨折、肢体不等长、踝外翻等并发症，其中再骨折为最严重的并发症[6]。有研究报道，胫骨假关节愈合区域横断面积较小的患儿术后具有更高的再骨折风险，通过增大胫骨假关节愈合区域的横截面积可减少先天性胫骨假关节患儿骨愈合后的再骨折发生率[7-12]。为了增大胫骨假关节愈合处的横截面积，作者所在团队自2014年3月开始对腓骨完整型先天性胫骨假关节施行联合手术同时行三合一骨融合手术(切除胫骨假关节及病变组织、经足踝髓内棒内固定、llizarov外固定架加压固定同时行腓骨近端截骨、胫骨假关节远近2个骨端与局部完整的腓骨三者融合、取自体髂骨包裹式植骨)[9-10]，通过胫腓骨融合以增加假关节愈合区域横截面积，随访了17例先天性胫骨假关节患者，平均随访时间为47个月，术后假关节骨性愈合率达100%，随访期内未发生再骨折。然而，胫腓骨融合改变了下肢骨骼正常解剖结构，将导致胫腓骨形态和承重生物力学的改变，而这种影响目前尚未得知。

近年来随着计算机技术的进步，有限元法成为分析骨科生物力学的重要方法之一[13-14]。有限元作为一种新的生物力学测试技术及研究手段，可以对骨、关节系统进行数值仿真分析，获得系统的变形、应力应变分布、能量变化等，成为研究生理、病理状态下人体运动系统生物力学的重要方法。基于此，作者采集先天性胫骨假关节患儿经三合一骨融合治疗并实现假关节骨性愈合后双侧胫腓骨薄层CT断层影像资料，成功建立了先天性胫骨假关节术后达到骨愈合后胫腓骨有限元模型，并以正常侧胫骨作为对照组，通过有限元方法进行力学分析，模拟先天性胫骨假关节骨愈合术后患侧胫腓骨与健侧胫骨在双足站立位时的受力情况，以期为术后支具设计、改进手术方案和预测预后提供科学依据，为临床医师后续利用有限元方法研究先天性胫骨假关节生物力学提供研究思路。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.4   材料   
个人计算机配置：intel(R)core(TM)i5-10210U CPU@ 1.60 GHz，2.11 GHz，12 G RAM，512 G 硬盘，2 GB显存的MX250独立显卡。
重建软件：医学图像处理软件Mimics 17.0(Materialise 公司，比利时)，3-matic 9.0(Materialise 公司，比利时)，有限元分析软件ANSYS 19.0(ANSYS公司，美国)。
1.5   方法   
1.5.1   胫骨三维模型的构建   采集先天性胫骨假关节患儿经三合一骨融合治疗并实现假关节骨性愈合后双侧胫腓骨薄层CT断层影像资料。患儿平躺在CT机上与扫描平面相互垂直，扫描范围从股骨远端到足底，扫描设备为Philips 64排螺旋CT机，设置条件电压为120 kV、电流156 mA，层厚为0.9 mm，共获得557张断层扫描二维图像，所有断层图像数据都以DICOM格式存储在个人计算机上，见图2A-C。将CT图像以DICOM格式导入Mimics 17.0软件中，利用阈值分割法(阈值1 172-3 222 HU)和区域增长算法对导入Mimics的胫腓骨图像分割，使骨组织与脂肪、肌肉等组织清晰分离。由于该患儿胫骨上端胫骨平台尚未发育完全，呈不规则形态，胫腓骨模型则在Mimics中通过蒙版划分弃掉胫骨近端骨骺，提取出胫腓骨图像通过Wrap、Smooth、Mesh等处理，生成三维几何模型，见图2D。 

1.5.2   有限元模型的构建   将已生成的三维模型导入至3-Matic 9.0软件中进行光滑处理，最终得到结构完整且表面光滑的三维模型，以软件自适应模式对三维模型进行面网格划分及优化，再对模型表面和内部全部采用四面体单元进行网格划分，得到了几何外观与实际标本高度相似的模型，见图3。

1.5.3   有限元分析及生物力学试验   
材料属性：将胫腓骨骨组织视为各向同性材料，在Mimics软件根据CT断层图像的灰度值完成模型材质的添加，按照灰度值跨度分为10层，使得模型赋予材料后结果与实际解剖情况相符合[16-17]，根据Mimics提供的经验公式[18-21]：Density=114.0+0.916×HU，E-Modulus=-0.98+1.52×Density完成弹性模量赋值，泊松比=0.3[22]。
边界条件设定和载荷施加：在有限元分析软件ANSYS 19.0中对患侧胫腓骨及健侧胫骨下端做6个自由度的全约束，使其固定不动。分别在胫骨干上端和腓骨上端作垂直于水平面方向施加载荷以模拟患儿双足站立时患侧胫腓骨受力情况，对健侧胫骨作同样处理。在整个生长过程中，正常腓骨承受约1/6的重力[23-24]。该患儿体质量为15 kg，理想状态下双足站立时单侧胫骨受力约62.5 N，腓骨受力约12.5 N。
考虑研究对象下肢力线因疾病本身和手术干预发生改变，胫腓骨各自实际受力状态难以界定，研究者通过枚举法将该病例以每1/6体质量为间隔，对胫骨施加体质量1-0倍的力，对应在腓骨上腓骨施加体质量的0-1倍区间范围的力，以最大程度模拟并反映胫腓骨可能受到的力。即分别在胫骨和腓骨上端胫骨75 N、腓骨0 N(组Ⅰ)，胫骨62.5 N、腓骨12.5 N(组Ⅱ)，胫骨50 N、腓骨25 N(组Ⅲ)，胫骨37.5 N、腓骨37.5 N(组Ⅳ)，胫骨25 N、腓骨50 N(组Ⅴ)，胫骨12.5 N、腓骨62.5 N(组Ⅵ)，胫骨0 N、腓骨75 N(组Ⅶ)共7类载荷，正常侧胫骨则施加62.5 N载荷作为对照。
1.6   主要观察指标   通过有限元分析软件计算融合后患侧胫腓骨及健侧胫骨在不同载荷下Von Mises应力峰值及应力分布情况。

随着计算机技术和有限元软件的发展，应用三维有限元方法研究人体骨骼的生物力学不断深入[13，26]，其可对根据需要产生各种各样的生物模型进行实验条件仿真，同一模型在虚拟计算中可反复进行加载或组合，相较于需要样本测试的传统骨科生物力学实验，有限元法显著减少了实验所造成的浪费，且可对实验模型设置不同的参数以进行比较[13，27-28]。目前，有限元法已在脊柱、颅骨、四肢关节等骨科领域生物力学研究中得到广泛应用[20，29-30]，但关于有限元方法对先天性胫骨假关节相关生物力学的研究尚缺乏相关报道。

此次研究采用螺旋CT行薄层扫描获得患儿双侧胫骨腓骨形态学数据，对三合一骨融合治疗并达到骨愈合先天性胫骨假关节患儿的胫腓骨运用Mimics软件进行三维重建，建立有限元模型，通过有限元分析软件ANSYS对有限元模型峰值Von Mises应力及应力区域进行分析，发现胫腓骨融合模型峰值Von Mises应力主要集中于胫骨中下1/3。融合后胫腓骨应力区域与正常胫骨应力区域分布存在差异，在对融合侧胫骨施加0-75 N范围内的载荷，等效Von Mises应力主要集中于胫骨中下1/3段前后面，正常胫骨应力区域则主要集中于胫骨中下1/3段前面，与其他相关报道结果相似[25， 31]，印证了此次试验构建的有限元模型真实可靠。同时，这一发现有可能为设计三合一骨融合后的康复支具及手术方法改进提供理论依据，如在支具设计时应考虑到肢体应力区域集中在胫骨中下1/3段前后面，如在可能产生应力集中区域针对性加强外固定支具保护或延长支具保护时间，在减轻支具质量及体积的情况下起到更好的保护与支撑作用。在手术过程中，可能根据患者术前胫骨成角方向及程度不同，在成角对侧适当增加植骨量，减少胫腓骨融合后因应力过度集中而造成再骨折的风险。

随着腓骨上施加载荷的增加，先天性胫骨假关节术后患侧有限元模型峰值Von Mises应力逐渐减少，腓骨近端应力区域增加，在对正常胫骨上端施加生理性载荷时同样发现应力主要分布于胫骨中下1/3，但峰值Von Mises应力均小于患侧，提示胫腓骨融合后两者发生了形态和承重生物力学的改变，导致在胫骨局部区域应力更加集中，提示可能因局部应力集中增加先天性胫骨假关节术后再骨折发生的风险。增加假关节愈合处的横截面积、矫正胫骨成角畸形、假关节处骨膜移植都有利于假关节愈合及减少并发症的发生[32]。针对腓骨完整型的先天性胫骨假关节，作者所在单位在联合手术的基础上创新设计应用三合一骨融合手术[10]，在矫正假关节成角畸形的同时，通过胫腓骨融合增加了假关节愈合区域的横截面积。此次研究首次运用三维有限元方法对三合一骨融合治疗先天性胫骨假关节术后的患肢进行生物力学分析，发现该术式可能导致胫腓骨融合后在患侧胫骨出现应力过度集中。而根据应力遮挡与骨重建理论[33]，在骨骼中，骨组织中的成骨细胞和破骨细胞通过感受力学刺激来对骨的生长或吸收进行调控，当骨的应变低于50-100微应变、应力低于1.0-2.0 MPa时，骨组织吸收；当骨的应变高于1 000-1 500微应变、应力高于约20 MPa时，骨组织生长；而当骨的应变进一步高于约3 000微应变、应力高于约60 MPa时，骨组织发生损伤，胫腓骨融合后可能因为应力过高增加再骨折发生的风险。

研究同样存在一定不足：①首先，先天性胫骨假关节患者术前差异较大，如假关节部位不同、合并下肢不等长、肢体成角畸形等，使得个体治疗结局差异较大，此次研究在排除了可能具有影响研究结果的病例后，只选择了1例样本进行有限元研究，且无体外实验及相关文献对此研究结果进行验证，只是一篇方案性报道，后期将选取更多具有代表性的病例资料进行有限元分析，对行三合一骨融合治疗的病例进行长期随访，统计胫腓骨融合后达到骨愈合后出现再骨折的病例，分析其骨折特征以论证此研究的结果。②此外，胫腓骨实际应力除与胫骨、腓骨等骨性结构有关外，还受肌肉、韧带等结构影响，此次研究为简化模型，仅对胫骨与腓骨进行建模分析，结果与患者胫腓骨实际应力情况存在一定差异。③最后，研究选择病例为初期骨愈合病例，因为患儿处于生长发育阶段，随着胫腓骨生长生物力学特点会随之发生改变，评估三合一骨融合治疗腓骨完整先天性胫骨假关节的远期疗效需要进行长期随访。

此次研究对先天性胫骨假关节行三合一骨融合治疗的胫腓骨三维有限元及生物力学进行了探索，利用有限元方法建立了真实可靠的有限元模型，以研究先天性胫骨假关节行胫腓骨融合后的生物力学特点，探索了三合一骨融合治疗先天性胫骨假关节后可能导致再骨折的潜在风险，发现术后胫骨应力主要集中于胫骨中下1/3前后面，提示在支具设计中应增加相应部位承重考虑或避免剪切应力产生，进一步针对个体进行个性化设计。此外，也为术后再骨折预测及改进手术方案提供一点参考，在术后应当密切随访，注意应力集中点骨骼形态变化，早期发现问题并进行干预。
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文题释义：
三合一骨融合：是指联合手术(切除胫骨假关节及病变组织、经足踝髓内棒内固定、伊氏架外固定装置加压固定)同时行胫腓骨融合手术(腓骨近端截骨、胫骨假关节远近二个骨端与局部完整的腓骨三者融合、取自体髂骨包裹式植骨)，可用于治疗腓骨完整型先天性胫骨假关节。
有限元分析：是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。

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文章通过有限元方法首次构建了先天性胫骨假关节经三合一骨融合治疗后的胫腓骨有限元模型，分析了融合后胫腓骨的生物力学特性。结果表明，先天性胫骨假关节在行胫腓骨融合后可能在胫骨局部区域形成应力集中，增加再骨折的风险，为支具设计及手术方法改进提供理论依据。

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