概述
治疗早期膝骨关节炎的其中一种方法是胫骨高位截骨术（HTO）。然而，HTO 具有挑战性且可能引起并发症。在本研究中，通过使用 Simpleware 软件创建 28 名患者的虚拟模型开发了一种新的个性化 HTO 器械，采用计算机模拟试验与标准治疗比较，验证的骨科器械的安全性。
结果表明，该个性化器械与标准器械具有一致的安全性，已申请在英国获得 MHRA 批准，应用于正在进行的临床试验，增加 HTO 作为治疗选择的使用。
亮点
- 为比较个性化 3D 打印胫骨高位截骨（HTO）器械与现有通用器械的机械安全性进行计算机模拟试验。
- 使用 Simpleware 软件处理患者 CT 数据和通用器械的扫描图像，生成 28 个可用于模拟的准备模型。
- 结果表明，新型器械的安全性并没有增加风险，可为个性化 HTO 提供支持。
介绍
胫骨高位截骨术（HTO）是一种简单有效治疗早期膝关节骨性关节炎的方法。相较于全膝关节置换，年龄较小的患者可能更倾向于 HTO。而全膝关节置换在老年人中更常见，因为他们对长期性能的需求较小。然而，由于难以实现精准的计划矫正，很少有外科医生考虑这种手术。在本案例研究中，通过计算机模拟临床试验比较新型个性化 3D 打印 HTO 板和现有通用模型，更好地评估安全性和有效性。
胫骨高位截骨术是在胫骨近端创建一个开口或闭合的楔形截骨，改变内翻对线，从而改变小腿的机械轴线，减少疼痛间室的负荷。截骨术通常使用接骨板稳固，常见的并发症包括疼痛和软组织刺激引起的不适。因此，实现足够的钢板柔韧性对于长期骨愈合和积极的患者预后至关重要。将针对于特定患者的接骨板优化为独特的骨骼几何形状，可能会提高其适配性和减少并发症。此外，具有个性化胫骨几何形状的数字化三维规划可以在术前确定螺钉的长度和方向，有助于减少手术时间。
在计算机模拟临床试验中，可以在同一个体的虚拟模型上预演多个手术，配对比较新型和已建立干预措施之间的力学结果和失败风险。这些试验遵循与物理临床试验相同的惯例和对照方案。本研究特别关注通过有限元分析（FEA）得到的生理负荷期间植入板上机械应力峰值。
图像处理
对 30名膝骨关节炎患者进行 CT 扫描，其中 2 名患者因 CT 扫描结果不佳而不纳入考虑。使用实验测得的刚度和强度变化对标准尺寸 TomoFix HTO 板（DePuy Synthes）进行功率分析，有助于确定患者队列规模的适宜性。Tomo Fix HTO 板是一种广泛植入的 HTO器械，在本研究中作为“通用器械”。
将 CT 数据导入 Simpleware 软件进行分割，确定 5 个感兴趣的关键标志点。利用 MATLAB 计算出所需的截骨矫正角度，使改变的机械轴穿过从内侧到外侧胫骨平台距离 62.5 % 的点。对每位患者进行虚拟 HTO 手术，通过创建开口楔形截骨改变膝关节的机械轴，手术模拟在 Ansys SpaceClaim 中进行，由专门从事膝关节手术的骨科医生指导。
（a）规划软件生成 HTO 稳定板和贴合患者胫骨表面几何形状的手术导板
（b）规划软件记录所需螺钉长度
虚拟手术完成后，每个模型均分别采用通用板和个性化板（TOKA，Orthoscape公司）进行截骨稳定，形成两组试验。对 TomoFix 胫骨高位接骨板进行 micro – CT 扫描（Nikon Metrology），数据导入 Simpleware 软件进行图像处理。个性化组使用专用规划软件（Renishawplc）创建患者植入物几何形状，同时考虑每个患者的胫骨表面和矫正程度。所有模拟膝关节均虚拟植入两种植入物，因此共生成 56 个干预案例作为在 Ansys 软件中模拟的 FE 模型。
有限元模拟
创建有限元模型，基于经过验证的方法和模型进行仿真，包括螺钉和板的表征及组件之间接触相互作用的方法。在每个患者的 CT 数据中应用患者特定的材料属性，设置为非均质的线弹性，其他如法向接触刚度根据实验测试和 Ansys 默认设置确定。骨愈合的进展通过增加截骨区域的杨氏模量表示，使用以前的研究数据量化不同时间点的截骨间隙愈合程度。
通过患者的肌肉骨骼模型计算正常生理活动的肌肉力和关节反作用力，使用 MATLAB 脚本标注在患者的解剖结构中。考虑 3 种常见的活动：快走步态、椅子站起和下蹲，根据胫骨接触力峰值位置为每种活动选择 5 个关键实例，在 FE 模型中以 1-15 载荷步实现。
对两种患者模型在不同时间间隔的生理活动、3 种螺钉配置和截骨间隙骨愈合阶段进行模拟：愈合阶段 1 为术后即刻，愈合阶段 2 为术后 2 周，愈合阶段 3 为术后 6 周，愈合阶段 4 为术后 12 周。
主要结果变量为板内、固定板用螺钉相邻骨内、截骨部位碎片间移动内的最大 Von Mises 应力。根据疲劳测试考虑将疲劳失效作为所有金属植入物的变量，同时对三种螺钉配置的影响进行统计学分析。
结果
有限元模型的求解计算量很大，在高性能计算集群上需要 500477 个核时。结果表明，螺钉配置对每种板型的 Von Mises 应力影响没有统计学意义，置信区间之间有很大程度的重叠，在愈合阶段降低两组板中最大 Von Mises 应力的影响非常显著。此外，两种板型螺钉放置周围的骨应变差异较小且不显著。然而在愈合阶段 4（术后12周）时，由于个性化器械中的微动增加，两种器械之间的碎片间移动差异更加显著。
这些器械的主要失效机制是疲劳失效，因此关键的结果是两组在不同愈合阶段相对失效风险的比值比。虽然个性化 HTO 板的应力值始终大于通用 HTO 板，但其 delta 值相对较小。更重要的是，两者在失效风险方面没有差异，同时个性化 HTO 板具有更高的机械效率和更低的刚度。这些结果表明，3D 打印的患者专用板可以解决诸如准确性、刚度和几何一致性等限制当前 HTO 手术的关键挑战，同时也使手术更加简单和快捷。
结论
在骨科安全性测试和临床试验中采用计算机模拟试验的突破性应用表明，与通用设计相比，个性化设计没有增加失败的风险。研究结果支持进一步的临床研究，了解患者个性化相较于标准矫正手术的益处，及治疗早期膝关节炎的潜力。5 例使用 3D 打印 HTO 板患者的安全阶段取得了积极的结果，其中 1 例患者能够在 6个 月内参加了竞技自行车骑行。意大利里佐利骨科研究所也进行了 25 例患者的单组试验，证明使用该器械成功治疗患者。个性化 HTO 系统在冠状位和矢状位上都显示出精确的矫正。在一年的随访中，患者报告了良好的结果。
参考
- 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/high-tibial-osteotomy.html
- MacLeod, A.R., Peckham, N., Serrancolí, G. et al. Personalised high tibial osteotomy has mechanical safety equivalent to generic device in a case–control in silico clinical trial. Commun Med 1, 6 （2021）.
- Zaffagnini, S.; Dal Fabbro, G.; Belvedere, C.; Leardini, A.; Caravelli, S.; Lucidi, G.A.; Agostinone, P.; Mosca, M.; Neri, M.P.; Grassi, A. Custom-Made Devices Represent a Promising Tool to Increase Correction Accuracy of High Tibial Osteotomy: A Systematic Review of the Literature and Presentation of Pilot Cases with a New 3D-Printed System. J. Clin. Med. 2022, 11, 5717.
- Zaffagnini S, Dal Fabbro G, Lucidi GA, Agostinone P, Belvedere C, Leardini A, Grassi A. Personalised opening wedge high tibial osteotomy with patient-specific plates and instrumentation accurately controls coronal correction and posterior slope: Results from a prospective first case series. Knee. 2023 Oct;44:89-99.