个性化胫骨高位截骨术的机械安全性与计算机临床试验中的病例对照中的通用装置相当

抽象的背景

尽管取得了良好的结果，但相对较少的外科医生提供高位胫骨截骨术 (HTO) 作为早期膝关节骨关节炎的治疗选择，主要是由于难以实现计划的矫正，并且据报道用于稳定截骨术的钢板周围有软组织刺激。为了比较新的个性化 3D 打印胫骨高位截骨术 (HTO) 设备的机械安全性，该设备旨在克服这些问题，与现有的通用设备相比，进行了计算机虚拟临床试验的病例对照。

方法

28 名膝关节骨关节炎患者接受了计算机断层扫描 (CT) 扫描以创建虚拟队列；该队列被复制以形成两个臂，通用和个性化，在其上进行虚拟 HTO。进行有限元分析以计算在三个愈合阶段模拟生理活动引起的板中的应力。指示个性化和通用臂之间 HTO 板疲劳失效相对风险的优势比是从多级逻辑模型中获得的。

结果

在这里，我们显示，在术后 12 周时，指示疲劳失败相对风险的优势比为 0.14（95% CI 0.01 至 2.73，p  = 0.20）。

结论

这项新颖的（据我们所知）计算机试验，将新型个性化 3D 打印胫骨高位截骨装置的机械安全性与现有通用装置的机械安全性进行了比较，表明新的个性化设计的失败风险没有增加现有的通用通用设备。个性化胫骨高位截骨术可以克服此类手术的主要技术障碍，我们的研究结果支持使用该技术治疗早期膝关节骨关节炎的案例。

简明语言摘要

重新调整膝盖的手术治疗，称为胫骨高位截骨术，可有效缓解膝关节骨关节炎的症状，但手术难度大。设计了一种新的个性化治疗，手术更简单。本研究的目的是调查新的个性化治疗与标准治疗相比的安全性。首次使用来自 28 名真实患者的影像数据进行了详细的计算机模拟临床试验。计算机模拟比较了个性化治疗和标准治疗之间种植体失败的风险。与标准治疗相比，个性化治疗没有更高的种植失败风险。这支持进一步的临床研究，研究个性化比标准重新调整手术的好处。

介绍

膝关节骨关节炎 (OA) 的终生风险估计高达 45% 1并且正变得越来越普遍2。尽管预计到 2030 年膝关节置换术的需求将翻一番3，但它仅适用于终末期疾病4、5。膝关节置换是不可逆的，因为它涉及去除天然关节结构并用金属和塑料代替；这对功能有影响。多达 30% 的膝关节置换患者报告对他们的手术不满意6，年轻患者的翻修率更高，不满意程度更高7. 迫切需要替代膝关节置换治疗骨关节炎，以减少个人痛苦以及减轻膝关节 OA 的经济和社会负担。高位胫骨截骨术 (HTO) 是一种成熟且有效的8早期 OA 保留膝关节的治疗方法，甚至已成功用于更晚期的 OA 9。HTO 手术包括在胫骨近端创建一个打开或关闭的楔形截骨术以改变内翻对齐，从而改变腿的机械轴并减少疼痛隔室中的负荷10. 通常使用髋-膝-踝 (HKA) 角在额平面上测量对齐。截骨术通常使用接骨板来稳定，尽管有时也使用外固定器进行偏侧固定以逐渐引入对齐变化。

打开楔形HTO手续较为流行的11，由于简单的手术方法中，腓总神经损伤的风险低12，13和更好的术后屈曲得分13。据报道，内侧开口楔形 HTO 的10 年存活率在 82% 9和 94% 14之间。大量研究表明，长期的结果都与手术矫正的准确性取得了相对于计划的修正12，15。范登本普特等。15进行了涵盖准确性主题的系统审查，并得出结论：“使用传统 HTO 进行冠状对准校正的准确性达不到要求”。冠状面对准矫正的精度平均值（=所需矫正角度和实现矫正角度之间的误差平均值）约为6°（范围4°-8°）。鉴于结果取决于矫正的准确性，并且被认为是一些膝外科医生不向患者提供 HTO 的关键因素，因此难以实现计划的矫正是外科医生的担忧。

据报道，截骨术延迟巩固的患者出现并发症的风险在统计学上显着增加16。此外，研究报告更好的结果，其中包括较低的并发症发生率，相比于较小的隔离板使用角度稳定板时17，18，19，20。由于钢板引起的疼痛和不适很常见，在一些中心，在 12 个月的随访期后取出钢板是例行公事21。然而，由于软组织刺激引起的疼痛，很大一部分人 (7.2–23%) 需要更早地取出钢板20 , 22. 重要的是要确保所有板都具有足够的灵活性，以促进骨骼愈合23。

针对患者的 HTO 程序直接解决了通用 HTO 程序的局限性，克服了准确性、过度僵硬和软组织刺激等问题。患者特定的手术导板已被证明可以提高矫正的准确性。穆尼尔等人。24报告了在使用患者特定指南的 10 名患者队列中计划和实现的 HKA 矫正之间的差异 <2°。最近的尸体研究25已经证明，将 3D 打印的患者专用板与金属 3D 打印的患者专用手术导板相结合，进一步提高了准确性，将计划和实现的 HKA 之间的差异减少到约 0.5°。患者专用接骨板具有独特的优势，能够针对个体骨几何结构优化锁定螺钉方向，而使用通用接骨板的固定会因具有通用固定锁定螺钉方向而受到影响。基于个体患者胫骨几何形状的数字 3D 规划允许在手术前确定螺钉长度和方向并体现在手术导板中。马修斯等人。图 25表明手术程序大大简化，并且可以轻松实现 30 分钟的手术时间。

基于个体胫骨几何形状设计的板还能够精确匹配患者胫骨近端的表面，从而最大限度地减少软组织刺激的可能性。金属增材制造的出现使个性化手术导板和板成为经济上可行的选择。由于每块钢板都是独一无二的，因此由于个体解剖结构的差异，钢板的形状存在差异。与通用板相比，这种情况可能会导致板应力的更大变化。另一方面，也有可能提高一致性——针对患者体型和体重的自适应尺寸有可能提高结果的一致性。据我们所知，还没有针对一组患者的患者特异性 HTO 板与通用板进行生物力学比较。26，但没有研究评估临床相关生理活动期间的表现。具有个性化 HTO 板和手术导板的患者特定 HTO 手术克服了 HTO 手术的主要局限性，并有可能使这种关节保留手术更广泛地可用，但是，重要的是要确定机械故障的风险不大于通用盘子。

外科临床试验使用新治疗组和已建立（对照）治疗组之间的比较，其中避免治疗组之间的偏差始终是一个问题。计算建模有可能引入一种新范式——在同一个人的虚拟副本上模拟多次手术的能力，以成对地比较新干预措施和既定干预措施之间的机械结果。对于病例对照研究设计，计算机临床试验使每个虚拟参与者成为他们自己的对照。

本研究的目的是在机械功能方面比较特定对象的胫骨高位截骨钢板和最常用的通用钢板，从而通过使用具有临床相关性的计算机病例对照临床试验来比较失败的风险。膝骨关节炎队列。尽可能遵循为物理临床试验制定的惯例，以实现透明的报告。该试验在 ClinicalTrials.gov (clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03419598) 上注册。

主要结果测量是在生理载荷期间植入板中存在的峰值机械应力，如通过有限元分析 (FEA) 确定的。通过计算骨折块间的运动来评估截骨术的稳定性。关键发现是，与现有的通用通用设备相比，新的个性化设计没有增加失败的风险。

方法学习规划

这被设计为计算机临床试验中的病例对照。

环境

患者数据（计算机断层扫描 [CT] 扫描和人口统计数据）来自在专业骨科中心（伊丽莎白公主骨科中心，皇家德文郡和埃克塞特 NHS 基金会信托基金，埃克塞特，英国）就诊的经放射学证实的膝骨关节炎患者。患者数据整理时间为 2017 年 1 月至 2018 年 3 月；数据被匿名化并传输到巴斯大学进行分割、几何模型创建、虚拟手术、有限元模型创建、生理负荷的计算和应用以及有限元模型求解。使用巴斯大学的 Balena 高性能计算服务解决了有限元模型。模拟时间点是术后 2、4 和 12 周。

参与者

获得伦理批准以匿名使用 30 名中度至重度膝关节炎患者的 CT 扫描（REC 参考：17/HRA/0033，RD&E NHS，英国）。不需要知情同意，因为这项研究获得了伦理批准，可以匿名重复使用现有数据。纳入标准是：

适当的现有下肢CT数据。

男女不限，18岁或以上。

诊断为中度至重度膝关节 OA。

排除标准是：

胫骨解剖异常或存在 OA 以外的病理，例如骨肿瘤。

以前的膝盖或截骨手术。

膝盖周围有金属制品。

由于 CT 扫描质量差，两名患者被取消资格，剩下 28 名患者。患者年龄 50-87 岁（平均：68），54% 女性，68.8-121.4 公斤（平均：90.1 公斤），身高 147-190 厘米（平均：169 厘米）并且没有膝关节手术史（补充表 S1））。

电源研究

使用标准尺寸 TomoFix HTO 板27 的刚度和强度的实验测量变化进行功率分析；TomoFix HTO 板（DePuy Synthes，IN，USA）是一种广泛植入的 HTO 设备，在本研究中用作通用 HTO 设备。之前的一项测量 TomoFix 骨板结构刚度的实验研究发现，平均值和标准偏差分别为 1950 N/mm 和 577 N/mm。根据这些值和 Altman 28的方法，每臂需要 25 名患者才能为研究提供 80% 的功效，以检测 20% 的刚度差异。对于虚拟临床试验，由于同一名患者可以在双臂中形成微粒，因此总共只需要 25 名患者。

矫正评估与干预

CT 数据用于生成每位患者胫骨近端的 3D 几何形状（ScanIP M-2017.06，Synopsys Inc.，CA，USA）。在 CT 扫描（补充图S1）上确定了五个关键的关键标志 ，并计算了所需的截骨术矫正角度（Matlab R2017b，MathWorks，MA，USA），这样改变的机械轴通过了 62.5% 的点。从内侧到外侧胫骨平台的距离18。补充表S1 中给出了每个患者的计算矫正角度 . 在专门从事膝关节手术的整形外科医生的指导下，对每位患者进行虚拟 HTO 手术，通过创建开放楔形截骨术（ANSYS SpaceClaim R18.2，ANSYS Inc.，PA，USA）来改变膝关节的机械轴。内侧开口楔形截骨术与胫骨平台成 15°角；外侧骨铰链位于关节线以下至少 10 mm。

在进行虚拟手术后，每个虚拟患者都被复制。一个副本使用通用板固定截骨术，另一个副本使用个性化板固定截骨术，从而形成试验的两个臂（两个板的几何形状显示在补充图 S2 中）：

Arm A Generic=HTO 使用通用截骨板（Tomofix，Depuy Synthes）稳定

手臂 B 个性化 = HTO 使用患者特定的截骨板稳定

对于 Generic 手臂，TomoFix 板几何结构是使用图像处理软件从物理 TomoFix 内侧高胫骨板（标准尺寸，型号 440.834）的显微 CT（H 225 ST，Nikon Metrology inc.，USA）扫描生成的（ ScanIP M-2017.06)。对于个性化手臂，使用专门的规划软件（Renishaw plc，Wotton-under-Edge，Gloucestershire，UK）生成患者特定的植入物几何形状，同时考虑到胫骨表面和每位患者的矫正程度。所有模拟膝关节均虚拟植入两种类型的植入物，从而生成 56 个干预案例作为有限元模型（ANSYS 18.2，ANSYS Inc.）。

有限元模型：材料属性

基于经过验证的方法和模型29创建和执行有限元模型。使用来自验证模型的建模参数，包括表示螺钉和板的方法以及组件之间的接触相互作用。在当前的研究中，使用由以下关系定义的异质线性弹性属性（HU  = Hounsfield Unit，ρ CT  = 基于 CT 的密度，）从每个患者的 CT 数据（BoneMat 3.2，Istituto Ortopedico Rizzoli，2015）中应用了患者特定的材料属性，ρ Ash  = 灰分密度，E  = 杨氏模量）：

ρC吨= − 0.00393573 + 0.000791701 × H你ρCT=−0.00393573+0.000791701×HU(1)ρ一个小号^ h= 0.079 + 0.877 ×ρC吨ρAsh=0.079+0.877×ρCT(2)乙= 14 , 664 ×ρ一个小号^ h1.49E=14,664×ρAsh1.49(3)

这些值是典型的并且在文献30 中发现的值的范围内。在近端骨碎片中使用了大约 240 个E值，在远端骨碎片中使用了 450 个。平均最低E值为 350 MPa，最高为远端 23 GPa 和近端 13 GPa。

在板 - 螺钉界面，法向接触刚度设置为 0.002，根据实验测试确定。使用 0.8 的标准库仑摩擦系数用于切向行为和增广拉格朗日接触公式。假定所有其他接触面（螺纹-骨、骨-骨）都使用 ANSYS 的默认接触设置进行粘合。

骨愈合的进展通过增加截骨区域的杨氏模量来表示。数据来自先前研究的不同时间点的定量截骨间隙愈合的程度31，32被用于通知选择用于愈合的各相的材料特性33，34。补充表 S2详细说明了选择的值和考虑的愈合阶段。

有限元模型：网格划分

网格参数基于先前经过验证的研究29. 完全集成的二次四面体单元用于板、螺钉和皮质铰链区域的单元尺寸为 0.8 毫米，其余骨骼为 1.4 毫米，愈合截骨术区域为 2 毫米。围绕板 - 螺钉相互作用细化网格，使平均单元边缘长度为 0.3 毫米。使用的元素数量超过 100 万个，每个螺钉约 70k，板中 200k，骨中 600k。如果单元数加倍后峰值 Von Mises 应力的变化小于 5%，则执行网格收敛研究并选择网格分辨率。由于将板网格分辨率从 192k 单元加倍到 380k 单元会导致峰值应力发生 3.92% 的变化，因此选择了 192k 单元的网格分辨率。对板-螺钉接触刚度特性进行了网格敏感性研究。对于选定的刚度值，对于每个评估的网格尺寸，位移结果的变化小于 3.35%。

FEA 生理活动

正常生理活动的肌肉力量和关节反作用力是使用特定于受试者的肌肉骨骼模型计算的（性别：男性，年龄：88 岁，体重：65 公斤，身高：166 厘米）35。使用自定义转换和缩放脚本36（Matlab R2017b，The Mathworks，Natick，MA，USA）基于五个地标的最小二乘误差优化，将这些力自动注册到各个患者的几何形状。肌肉和关节反作用力按每个受试者的体重线性缩放。

考虑了三种常见的活动：（ACT1）快速步行步态，（ACT2）椅子上升，以及（ACT3）下蹲。根据峰值胫骨接触力的位置，为每个活动选择了五个关键实例（补充图 S3）。这些实例在有限元模型中作为载荷步长 1 到 15 实现。补充表S3中概述了每个关键情况下的联合反应 。

FEA 评估参数

对于虚拟临床试验的两个组（通用和个性化）中的每个患者，进行了各种排列（补充图 S4）。这些模拟包括：

三种生理活动：（ACT1）快走步态，（ACT2）坐椅，（ACT3）下蹲；

三种螺钉配置：（SC1）所有螺钉都存在，（SC2）最靠近截骨术的螺钉被移除以产生更长的桥接跨度，以及（SC3）最远端螺钉被移除以模拟更短的钢板。螺钉配置的比较在愈合阶段 2 进行，如下所述。

通过在不同愈合阶段增加间隙中材料的杨氏模量来模拟截骨间隙骨愈合：（HS1）手术后立即（注意，未模拟该愈合阶段，但这在我们的 ClinicalTrials.gov 条目和包括在此处以保持一致性）、（HS2）术后 2 周（1 MPa）、（HS3）术后 6 周（28 MPa）和（HS4）术后 12 周（528 MPa）。对螺钉配置 3 的愈合阶段 2、3 和 4 进行了比较，选择螺钉配置是基于对螺钉配置影响的分析，并且因为大多数外科医生表示临床偏爱较短的 HTO 钢板。

使用几何非线性分析 (Ansys 18.2, ANSYS, Inc. USA) 定义和求解了总共 4,200 个载荷步。

关键输出变量

主要结果变量是板内的最大 Von Mises 应力。此外，还评估了与用于固定钢板的螺钉相邻的骨骼中的最大 Von Mises 应变以及截骨部位的骨折块间运动。所有金属植入物的一个问题是疲劳失效，因此板中最大 Von Mises 应力超过预定义疲劳极限的载荷情况的数量被确定为每个研究臂的愈合阶段的函数。疲劳极限是通过使用 ISO13485 认证的 3D 金属打印工艺（AM 250，雷尼绍 plc，Wotton-under-Edge，英国格洛斯特郡）对由医用级钛合金 (Ti-6Al-4V) 增材制造的样品进行疲劳测试来实验确定的）。发现疲劳极限 (FLIM) 为 200 ± 20 MPa，保守的方法是通过选择下限，即 180 兆帕。对于每个愈合阶段，记录最大 Von Mises 应力超过 FLIM 的载荷工况数量 (N1) 和最大 Von Mises 小于 FLIM 的载荷工况数量 (N2)。

统计分析

通过在愈合阶段 2 施加的 15 个载荷步中的每一个执行 ANOVA (Matlab 2017b) 来研究每个臂的三种螺钉配置的影响。通过将 0.05 的 alpha 值除以 15 应用 Bonferroni 校正用于该分析.

主要分析比较了通用（对照）HTO 板和个性化 HTO 板在 Von Mises 板应力超过 FLIM 和未超过 FLIM 的载荷步长比率 (N1:N2)。使用多级逻辑模型 (StataCorp. 2019. Stata Statistical Software: Release 15. College Station, TX: StataCorp LLC.) 进行分析，使用重复测量嵌套在患者体内的愈合阶段（级别 1）（级别 2）。通过使用患者标识符的随机效应和稳健的标准误差来解释数据中的异方差性，来解释患者内观察的聚类。包括愈合阶段和设备之间的相互作用，以获得在不同时间点具有相应 95% 置信区间的优势比。

使用惩罚最大似然逻辑回归模型获得愈合阶段 4 (HS4) 的优势比估计值。

这种计算机模拟临床试验的设计使每个受试者都可以作为自己的对照。使用与上述相同的层次结构在连续尺度多级回归模型上分析最大应力、最大应变和片段间运动的差异（通用 - 个性化）。

报告摘要

有关研究设计的更多信息，请参见与本文链接的 自然研究报告摘要。

结果

有限元模型的求解是计算密集型的，在高性能计算集群上需要 500,477 个核心小时。

螺钉配置对每种类型钢板中 Von Mises 应力的影响不显着，置信区间之间有很大程度的重叠（图 1）。通用板的平均p值为 0.634（范围 0.162-0.977），而个性化板的平均p值为 0.375（范围 0.076-0.907）。

图 1：螺钉配置 1、2 和 3 的每个载荷步骤在愈合阶段 2 (HS2) 时每种类型的 HTO 板的最大 Von Mises 应力 (MPa)。

在每个框上，中心标记表示中位数，框的底部和顶部边缘分别表示第 25 个和第 75 个百分位数， 每个臂的n = 28 个独立模型，通用和个性化。胡须延伸到不被视为异常值的最极端数据点，并且使用点符号单独绘制异常值。离群值是距盒子底部或顶部超过四分位距 1.5 倍的值。

全尺寸图片

对于螺杆配置 3，表1中给出了每个愈合阶段超过疲劳极限的载荷步长比率 。比较个性化与通用，比值比从治疗阶段 2 的 1.80 (95%CI 0.90–3.61) 下降到治疗阶段 3 的 1.25 (95%CI 0.76–2.06)，最后下降到 0.14 (95%CI 0.01–2.73) ) 对于愈合阶段 4。这些值没有统计学意义。

表 1 最大 Von Mises 应力超过疲劳极限 (FLIM) 的载荷步数的列联表，比较了研究的两个臂，对于螺钉配置 3 的三个愈合阶段 (HS) 中的每一个的通用和个性化。 OR =赔率。全尺寸表

随着愈合阶段的增加，最大 Von Mises 应力的 delta 值（= 通用 - 个性化）也显示出大幅降低（图 3，表 2）。最大 Von Mises 应力的差异在愈合阶段 2 中不显着 ( p  = 0.67)，但在愈合阶段 3 和 4 中显着 ( p  < 0.001)。对于愈合阶段 3 和 4，板中最大 Von Mises 应力的平均 delta 值为 -17.1 MPa（95%CI -26.2 至 -7.9 MPa）和 -11.1 MPa（95%CI -15.3 至 -6.8 MPa）分别。以愈合阶段 3 和 4 的个性化钢板中最大 von Mises 应力的百分比表示，这些 delta 值代表相关最大应力值的 3.1% 和 6.7%，因此相对较小。

图 3：针对所考虑的三个愈合阶段中的每个阶段绘制的每个载荷步的最大 Von Mises 应力的 delta 值变化，所有这些都针对螺钉配置 3。

圆圈是每个虚拟对象的个体差异（最大 Von Mises 压力 = 通用最大 Von Mises 压力 - 个性化最大 Von Mises 压力），n  = 28。

全尺寸图片表 2 钢板中的最大 von Mises 应力（应力）、与钢板螺钉相邻的骨骼中的最大 Von Mises 应变（应变）和两个臂的最大骨折块间移动 (IFM)，以及每个臂之间的差异在三个愈合阶段 (HS) 中，所有病例均针对螺钉配置 3。全尺寸表

两个板的螺钉插入物周围的骨应变差异很小且不显着（表 2），通常<2 微应变。 仅在愈合阶段 4（表2），两个装置之间的碎片间运动差异才显着（p < 0.001）  ，为此，个性化板比通用板表现出更多的微运动（<0.04 毫米）。

有限元分析是一种数值方法，因此在某些情况下无法获得解决方案。少数载荷工况没有解决，导致表1和表2中实现的解决方案的数量 。

讨论

本研究旨在使用虚拟临床试验方法评估新型个性化胫骨高位截骨板与最常用的谓词通用设备之一 TomoFix 的机械功能以及失败风险。通过检查骨折块间的运动来评估截骨术的稳定性。据我们所知，这是第一次将这种方法用于骨科设备。硬件故障是使用 TomoFix 植入物的一种相对罕见的并发症20，但在其他设计中更为常见，例如间隔板19. 本研究中评估的新的个性化 HTO 系统使用患者特定的轮廓板。虽然临床前测试对于这种新设计以确保安全至关重要，但对于特定于患者的设备来说并不简单。本研究中使用的虚拟临床试验方法允许在合理规模 ( n = 28) 膝关节 OA 队列，允许将一系列患者特定设备的机械性能与 TomoFix 通用设备的机械性能进行配对比较。因此，每个虚拟对象都充当他们自己的匹配控件。本研究使用生理负荷代表快速行走、椅子上升和蹲下的日常活动，并考虑了三个骨骼愈合阶段。用于此虚拟研究的特定主题的有限元模型是基于经过验证的建模管道创建的29. 由于这些设备的主要失效机制是疲劳失效，关键结果是指示个性化臂和通用臂在愈合阶段 3 和 4 之间疲劳失效的相对风险的优势比。 虽然个性化 HTO 板始终具有较大的应力值与一般情况相比，在愈合阶段 3 的最大应力的 ~3% 和愈合阶段 4 的最大应力的 7% 处，delta 值相对较小。此外，在愈合阶段 4，最大应力 (165 MPa)个性化 HTO 板远低于疲劳极限 (FLIM=180 MPa)。这项虚拟临床试验的结果表明，与通用板相比，个性化 HTO 板在故障风险方面没有差异，同时具有更高的机械效率和更低的刚度。使用 3D 打印的患者专用板进行个性化 HTO 治疗解决了准确性、刚度和几何一致性等关键问题，这些问题目前限制了 HTO 手术的使用，并具有手术更简单、更快的额外优势。已经证明使用个性化钢板不会增加失败的风险，现在应该可以利用个性化 HTO 的优势并更广泛地为早期膝关节 OA 提供关节保护治疗。

这个虚拟试验中利用的有限元建模方法现在已成为生物力学研究一个公认的工具，并且已经证明，从CT数据创建的特定主题的有限元模型能准确地预测长骨的机械性能37，38。这项研究的主要结果测量是生理负荷期间植入板中存在的峰值机械应力。发现这一结果受愈合阶段的影响很大。典型愈合时间已经报道范围从75到126天21，39，40，41，42。未填充的截骨间隙41与更快的愈合时间有关，男性也是如此21。出于这个原因，重要的是包括 6 周和 12 周的时间点，因为可以允许完全负重43而无需完全巩固愈合截骨术31。

对于通用钢板和个性化钢板，最高应力发生在愈合阶段 2，其中研究的两个臂之间钢板应力的差异不显着（表 2）。对于愈合阶段 3，普通钢板的平均应力降低了 3.7 倍，个性化钢板的平均应力降低了 3.2 倍。类似地，对于愈合阶段 4，普通钢板的平均应力降低了 9 倍，个性化钢板的平均应力降低了 7.1 倍。尽管如此，对于愈合阶段 3 和 4，个性化板仍然表现出略高于通用板的应力，这是预期的，因为通用设备通常尺寸过大。我们认为这些钢板应力的小幅增加（HS3 和 HS4 分别为 17 MPa 和 11 MPa）在临床上没有相关性，因为相关的骨应变之间没有差异，愈合阶段的碎片间微运动（40 微米）差异很小4. 对于这些类型的设备的故障而言，更关键的是峰值 Von Mises 应力是否超过材料的疲劳极限 (FLIM = 180 MPa)。通过查看超出疲劳极限的载荷工况数与每个臂在每个愈合阶段的载荷工况总数的比率来检查这个问题。对于所有愈合阶段，与这些优势比相关的p值 >0.05（表 1）并且对于愈合阶段 4，优势比小于 1。

其他结果指标是与螺钉相邻的骨骼中的峰值应变和所考虑的每个愈合阶段的最大骨折块间运动。在任何愈合阶段，两臂之间的峰值应变值没有显着差异。为围绕螺钉的应变水平升高可指示松动的风险44，45，46，手臂之间没有差异的发现表明与通用设备相比，个性化植入物发生螺钉松动的风险没有增加。愈合阶段 2 时双臂的最大骨折块间运动的平均值约为 0.3 毫米，愈合阶段 3 时双臂的最大骨折块间运动平均值约为 0.1 毫米。愈合阶段 3 的值与之前的尸体研究报告的值相似23，使用 1000 N 的关节载荷（70 公斤个体的 146% BW）发现在 TomoFix 板下的最大碎片间运动值约为 0.15 毫米。在目前的研究中，在愈合阶段 4 中，手臂之间的最大碎片间运动仅存在显着差异，个性化手臂具有更高的最大碎片间运动，尽管手臂之间的平均差异仅为 36 微米（表 2）。骨折块间的运动是截骨术稳定性的一个指标，研究结果表明个性化和通用设备之间的稳定性没有差异。值得注意的是，所使用的统计方法考虑了观察中的相关性和聚类。

主要结果测量是通过每个有限元分析计算的每个 HTO 板中的最大 Von Mises 应力，这是一种保守的方法，因为该方法可能会高估该值。所使用的有限元模型包括板和螺钉之间的接触以及骨和螺钉之间的接触。接触建模会受到接触表面非常精细的几何特征的影响，并且由于几何形状的微小变化会产生高压缩点应力。所使用的建模方法是一种线弹性方法，它不允许现实中发生的塑性变形。这种塑性变形会导致接触应力的降低。压缩接触应力反映在峰值 Von Mises 应力中。因此，为每个求解的载荷工况获取峰值 Von Mises 应力的方法将包括高接触应力的影响，这将高估板中的最大载荷。尽管存在这个问题，但我们的研究结果表明，在恢复阶段 4 时，通用设备仅在 0.7% 的负载情况下超过疲劳极限，而个性化设备从未超过疲劳极限。

肥胖已被证明是 HTO 手术后主要并发症的重要独立预测因素 ( p  = 0.001) 42。因此，不建议肥胖个体使用 TomoFix 板。尽管如此，在先前的临床研究中，88% 的患者超重或肥胖41。我们的研究包括 92.9% 的超重和 78.6% 的肥胖患者，因此代表了典型的患者人口统计数据。

我们认为，计算机模拟试验方法的病例对照是评估个性化设备的机械功能的合适方法，特别是具有主要承载功能的骨科设备。然而，用于生成特定主题模型的管道仍然需要大量的用户输入。大力提高自动化水平，同时保持模型保真度，将有助于使该方法更广泛地可用。对于当前的研究，为了增加透明度和避免偏差，选择了 HTO 板中计算应力的最大值。如上所述，接触条件可能会在非常局部的接触点处产生高应力值。未来的工作应侧重于将这些值视为异常值的稳健技术。

值得一提的是这项研究的高计算要求。特定于患者的有限元模型需要大量人力资源来创建。有限元模型的解决方案需要超过 50 万个核心小时的计算时间，这只有通过访问具有 3544 个 CPU 核心的大型集群才能实现。执行解决方案的最有效方法是使用 24 核 Intel Skylake 计算节点，其中集群有 17 个。利用所有 17 个 Skylake 计算节点相当于大约 52 天的计算时间。Ansys 生成的解决方案文件非常大（本研究生成了约 7.5 TB 的解决方案文件），并且开发了一个计算框架来自动提取相关结果；这增加了研究的计算要求。

这项研究有两个关键的局限性。虽然每个特定主题的有限元模型都包含个体骨密度，但在所考虑的三个愈合阶段用于愈合骨材料（愈伤组织）的特性对于所有模型都是相同的。文献中关于这些材料特性的信息量有限，未来的研究应该着眼于了解这些材料特性如何在人群中变化。关于生理负荷的详细信息也很少。整个队列使用相同的负荷模式，按个体体重计算。研究如何务实地结合个人负载模式应该是未来研究的优先事项。在当前的研究中，只评估了有限数量的加载条件。理想情况下，将研究更广泛的活动和主题。然而，该方法仍然提供与传统临床试验相当的结果，这将具有相同的局限性。此外，现在可以使用计算机临床试验的范例，未来的研究可以探索更广泛的活动和受试者的机械安全性和/或相对有效性。

在这个计算机试验中，只评估了机械安全性和稳定性。检查相对疗效也会很有趣，这是一个计算机临床试验可能能够比传统临床试验更好地解决的问题。然而，如何定量定义相对疗效仍然是一个悬而未决的问题——一个值得在未来研究中调查的问题。

我们的研究结果表明，用于患者特定 HTO 手术的新型个性化设备与广泛使用的通用设备之间的机械疲劳失效风险相似。我们的研究结果还表明，与用于固定 HTO 板的螺钉相邻的骨骼中的应变对于患者特定装置和通用装置是相似的。两种装置的骨折块间运动相似，表明截骨术的稳定性没有差异。结果表明，与现有的通用通用设备相比，新的个性化设计没有增加失败的风险。解决了这个问题后，个性化 HTO 的优势（更好的准确性、更低的刚度、更好的一致性、

使用这种新颖的（据我们所知）计算机试验方法提供了一种实用的方法来深入了解个性化设备的机械安全性。

数据可用性

图的源数据。 1，2，3和S3被设置为补充数据 1。目前的研究期间过程中产生的和/或分析（与肌肉负荷和代码一起用于转化载荷以及从MacLeod等人的有限元模型的数据集29）在浴研究数据存档，大学是可用