股骨近端截骨术后选定的颈干角可能会影响骨骼愈合：一项有限元研究

《IRBM》：Selected Postoperative Neck-Shaft Angle in Proximal Femoral Osteotomy Can Affect the Bone Healing: A Finite Element Study

本研究通过患者特异性有限元模型，评估了三种术后颈-干角（128°、135°、143°）对骨愈合和机械安全的影响。结果表明，70%患者的骨愈合模式（接触或成骨）不随NSA变化，但30%患者存在模式转变。机械安全参数如峰值应力和微动因个体差异和NSA调整而异。结论强调个性化手术规划需综合考虑NSA、患者解剖结构和生物力学因素，以平衡骨愈合与机械稳定性。

　　本研究聚焦于一项针对儿童和青少年患者的手术，即股骨近端截骨术（Proximal Femoral Osteotomy, PFO）。该手术主要用于矫正股骨近端的畸形，例如髋关节发育不良、股骨头骨骺滑脱以及Perthes病等。尽管PFO在临床中广泛应用，但术后骨愈合不良和非联合仍然是影响手术成功率的重要挑战，可能导致恢复时间延长、再次手术需求增加以及更高的并发症发生率。因此，理解术后颈干角（Neck-Shaft Angle, NSA）对骨愈合的影响，以及其与机械安全性之间的相互作用，对于优化手术设计和术后管理具有重要意义。

在本研究中，科学家们通过构建个性化的有限元模型（Finite Element Analysis, FEA），模拟了九名患者（共十条股骨）在不同术后NSA下的骨愈合情况和机械安全性。研究选择了三个NSA值：128°、135°和143°，分别代表正常范围的下限、中位数和上限。这些NSA值的设定基于现有文献中对股骨结构的了解以及手术过程中允许的几何调整范围。通过使用患者的医学影像、步态分析数据和手术信息，研究团队创建了个性化的模型，并在模拟行走过程中评估了骨折碎片之间的运动、偏心应变、机械刺激、骨-植入物微动以及峰值von Mises应力（PVMS）等关键参数。这些参数能够反映术后骨愈合模式（直接愈合或间接愈合）以及植入物的机械风险。

### 术后NSA对骨愈合模式的影响

研究发现，术后NSA的变化对骨愈合模式具有一定的影响，但这种影响并非在所有病例中都显著。在七条股骨中，无论NSA如何调整，都表现出单一的愈合模式，其中四条为直接愈合（contact healing），三条为间接愈合（callus healing）。这表明在大多数情况下，NSA对愈合模式的影响较小，而其他患者因素可能在决定愈合类型中发挥更大作用。

然而，在三条股骨中，术后NSA的增加导致愈合模式从直接愈合转变为间接愈合。这种转变可能与骨折碎片之间的运动（interfragmentary movement）和应变（strain）有关。当NSA较高时，骨折碎片之间的运动幅度增加，可能导致直接愈合所需的最小运动阈值被突破，从而转向间接愈合。间接愈合通常涉及软骨形成和骨痂形成，这一过程需要更长的时间，并且更容易受到机械刺激和载荷分布的影响。

### 机械刺激与骨重塑的关系

机械刺激在骨重塑过程中起着至关重要的作用。研究发现，不同NSA值下，骨的机械刺激分布存在差异。例如，在NSA较低的情况下，骨的机械刺激可能更均匀，有利于直接愈合。而在NSA较高的情况下，某些区域的机械刺激可能不足，导致骨痂的吸收或骨形成信号减弱。这表明，术后NSA的选择不仅影响骨折碎片之间的运动，还可能影响骨的重塑能力。

此外，偏心应变（deviatoric strain）也被认为是影响骨痂形成和骨组织分化的重要因素。偏心应变是指在变形过程中，材料形状变化而体积不变的应变分量。在本研究中，偏心应变在骨折截骨面的中侧通常较高，这可能表明该区域更有利于骨痂的形成。然而，对于某些患者，较高的NSA可能导致偏心应变降低，从而影响骨痂的成熟过程。

### PVMS与植入物安全性

峰值von Mises应力（PVMS）是评估植入物和骨的机械安全性的重要指标。研究发现，在所有NSA情况下，两条股骨的PVMS值均超过了临界值，表明这些患者存在较高的机械风险。然而，其他患者的PVMS值则处于安全范围内。值得注意的是，对于两条股骨而言，仅在NSA为128°时，骨-植入物微动达到了临界值，提示该NSA值可能更容易导致植入物松动或骨折风险。

### 患者特异性因素的重要性

研究强调，术后NSA的选择必须结合患者的个体特征。例如，BMI（体重指数）较高或存在严重肥胖的患者，由于体重和肌肉力的增加，术后NSA的变化可能对机械应力和微动产生更大的影响。相比之下，BMI较低的患者，即使NSA变化较大，其机械应力和微动也可能处于安全范围内。这说明，NSA的机械影响因人而异，不能简单地采用统一的标准。

此外，患者的步态和肌肉活动模式也会影响NSA对骨愈合和机械安全性的综合影响。例如，某些患者的步态可能在NSA较高时表现出更稳定的骨折碎片运动，从而有利于直接愈合。而对于步态不稳定或存在其他病理特征的患者，较高的NSA可能导致骨折碎片运动超出安全范围，从而增加间接愈合的风险。

### 临床意义与未来方向

本研究的结果对临床实践具有重要指导意义。首先，它表明术后NSA的选择不能孤立进行，而应结合患者的个体因素进行综合评估。其次，研究强调了个性化建模在术前规划中的价值，通过模拟不同NSA对骨愈合和机械安全性的潜在影响，可以帮助外科医生更精确地选择最佳的术后角度，以实现更优的愈合效果和更小的并发症风险。

然而，本研究也存在一些局限性。例如，骨愈合潜力的评估基于成人数据，因此在儿童患者中的适用性可能有限。此外，研究仅评估了术后某一时间点的机械应力和微动，而未考虑长期的周期性疲劳效应。未来的研究可以进一步探索这些方面，以更全面地理解NSA对术后愈合和机械安全性的长期影响。

最后，本研究为临床提供了一个重要的视角：在PFO手术中，机械稳定性与骨愈合之间的平衡是实现良好手术结果的关键。对于BMI较高的患者，选择较高的NSA可能有助于降低植入物和骨的机械风险，但可能会延缓愈合过程。相反，对于BMI较低的患者，选择较低的NSA可能有助于提高骨愈合效率。因此，个性化的手术规划和NSA选择对于优化术后结果至关重要。