不同骨强度下全膝置换过程中发生股骨前皮质切迹的三维有限元分析

摘要

背景：全膝关节置换后发生膝关节股骨假体周围骨折是常见并发症之一，目前对不同骨质强度条件下发生膝关节股骨假体周围骨折的生物力学研究欠缺，三维有限元分析可为临床提供生物力学基础。目的：探讨不同骨质强度下全膝关节置换过程中发生股骨前皮质切迹的生物力学变化，为临床预防膝关节置换后发生膝关节股骨假体周围骨折提供力学理论基础。方法：获取健康成年人的股骨CT数据，运用Mimics、Geomagic studio、Solidworks软件建立膝关节股骨侧置换三维模型，然后构建不同深度的股骨前皮质切迹模型，将模型导入到ANSYS软件并分析不同骨强度、不同股骨前皮质切迹深度对股骨髁上生物应力的影响，并分析股骨前皮质切迹骨水泥填补前、后的股骨前髁截面应力变化。结果与结论：(1)任何骨质强度下，髁上应力都随股骨前皮质切迹深度加深而增加；在正常骨质情况下，当股骨前皮质切迹深度在3 mm和4 mm间有一个应力突变点；在骨质疏松情况下，当股骨前皮质切迹深度在2 mm和3 mm间有一个应力突变点；(2)膝关节置换过程中发生股骨前皮质切迹且深度超过骨皮质厚度时，随着骨质强度降低，股骨髁上应力逐渐增大；(3)使用骨水泥填补股骨前皮质切迹深度为3 mm的模型，股骨前髁截面应力下降；(4)结果显示，膝关节置换过程中应该避免股骨前皮质切迹出现，特别是骨质疏松患者；如术中出现股骨前皮质切迹且深度超过骨皮质厚度时，可以采用骨水泥均匀填充股骨前皮质切迹以降低股骨髁上应力，降低膝关节股骨假体周围骨折的发生率。

关键词: 全膝关节置换  股骨前皮质切迹  骨质疏松  膝关节股骨假体周围骨折  生物力学  三维有限元分析

0引言Introduction

全膝关节置换是膝骨关节炎的终末期治疗手段，随着全球老龄化及膝关节假体的不断更新换代，其手术量也逐年上升[1]；同时手术带来的并发症也逐年上升。膝关节股骨假体周围骨折是全膝关节置换术后常见并发症之一，不仅增加了患者的创伤及住院费用，同时导致膝关节功能丢失，是临床医师和患者需高度重视的问题[2-4]。相关研究表明导致膝关节股骨假体周围骨折发生的2个主要危险因素为股骨骨质强度和股骨前皮质切迹(anterior femoral notching,AFN)[5-8]；然而一些研究提示正常骨质强度患者发生AFN与股骨髁上假体周围骨折之间无相关性[9-10]。骨质疏松患者全膝关节置换术中发生AFN的研究尚少，而临床中行膝关节置换患者大多为骨质疏松患者[5]，故骨质疏松膝关节置换术中发生AFN相关生物力学研究迫在眉睫。综上所述，目前AFN与膝关节股骨假体周围骨折的关系尚存争议，且对出现AFN情况的补救措施的研究尚缺乏，尤其是在对不同骨质强度发生AFN的“安全深度”缺乏足够的认识，从而可能增加膝关节股骨假体周围骨折的风险性。随着骨科数字化的迅速发展，三维有限元分析成为骨科相关力学研究中重要的工具之一。相关研究表明，有限元分析手段相比于实体力学研究存在可重复性高、更简洁化、更准确的优点，逐渐发展为骨科力学研究的主流工具，对骨科关节置换领域做出了巨大贡献[11-16]。

此次研究旨在通过三维有限元方法研究不同骨质强度下全膝关节置换术中发生AFN的生物力学变化及使用骨水泥填补AFN后的髁上应力变化，希望为临床预防全膝关节置换后发生膝关节股骨假体周围骨折和指导术中出现AFN的处理方案提供力学理论基础。

1 对象和方法Subjects and methods

1.1 设计

单一样本的计算机模拟实验。

1.2 时间及地点

试验于2021-05-01/2023-05-01在贵黔国际医院骨科完成。

1.3 对象

选择1名骨质条件正常的青年男性，年龄30岁，身高175 cm，体质量70 kg。既往无膝关节创伤病史、膝关节无内外翻畸形、膝关节CT检查无骨折、畸形、肿瘤及无骨质疏松病史。另外选择1名男性膝关节置换术后志愿者膝关节CT数据，65岁，身高165 cm，体质量75 kg。

此次研究经贵黔国际医院医学伦理委员会批准(医院伦理批件号：贵黔2021伦审第(07)号，审批时间：2021-04-13)，志愿者均知情同意并自愿参与此次研究。1.4仪器设备(1)电脑型号：神舟CP65S笔记本电脑；(2)图像采集设备：128排双源螺旋CT;(3)图像编辑软件：Mimics 19.0(Materialises interactive medical images control system,Materiali,Leuve,Belgium);Geomagic studio2013(Raindrop Company,Marble Hill USA);Solidworks2017(Dassault Systemes Company Massachusetts USA);ANSYS 2023 R1(ANSYS Company,PA USA)。

1.5 实验方法

1.5.1 在Mimics进行股骨三维模型的建立及提取假体模型

志愿者常规进行右下肢全长CT扫描，获取医学二维图像，将该数据以DICOM格式导出储存。在定义扫描解剖姿势(前后、左右、上下)方位一致后，交互式医学影像控制系统Mimics 19.0软件将自动输入DICOM格式的医学文件；采用剖面线的阂值分割方法(Profile line)，建立mask区分骨骼和其他组织结构，将其分割为独立的完整的右侧股骨体、股骨皮质骨3D模型、股骨松质骨3D模型(图1)；该志愿者股骨骨皮质厚度为2.96 mm。同法将患者膝关节置换术后CT数据重建成三维有限元模型，在Mimics 19.0软件里用区域增长把股骨髁假体从膝关节置换术后模型中把股骨假体STL模型提取出来(图2)。

1.5.2 处理假体、骨皮质和骨松质模型

将假体、骨皮质、骨松质的STL文件格式分别导入Geomagic studio 2013软件，进行点云数据处理，最后分别进行假体数据模型、骨皮质、骨松质的多边形处理曲面拟合，见表1，为后续进行ANSYS精确分析打下基础。最后并以STP文件格式输出(图3)。

1.5.3 股骨侧假体置换不同深度股骨前皮质切迹模型的建立

以CT扫描坐标系为原始工作坐标系，现将Geomagic studio 2013中Step格式的皮质骨、松质骨模型导入至Solidworks 2017中装配成一个完整的股骨模型，利用该软件模拟出股骨头的点云中心，与膝关节中心相连构成股骨机械轴。按照全膝关节置换的常规操作流程，进行膝关节股骨侧虚拟截骨，建立膝关节股骨置换模型(图4)。利用Solidworks软件分割功能制作不同深度的AFN模型(图5)，最后将各个模型以X-T格式进行保存，输出导入至ANSYS2023 R1软件进行力学分析，得出股骨髁上区域的应力分布特点。

1.5.4 模型的有限元分析

(1)将几何模型导入到ANSYS2023 R1有限元分析软件中，查阅既往文献，国内外学者基于定量CT测定骨密度做出了分类标准；骨质的体积密度在240 mg/cm3以上者为正常骨质，骨量减少在25%以上为骨质疏松(根据诊治要求又可以分为轻、中度)，减少在37%以上为严重骨质疏松。此次实验采用定量CT测量的骨密度作为骨质疏松的诊断标准，以方便骨密度与不同骨质条件下骨松质、骨皮质的弹性模量换算，换算经验公式为E=1 780ρ1.88[17-18]。在分析材料库中分别建立正常皮质骨、松质骨；轻中度骨质疏松皮质骨、松质骨；重度骨质疏松皮质骨、松质骨；假体的材料属性参数及Ⅲ型丙烯酸树酯骨水泥[19-20](表2)，进入Mechanical工作界面，在Geometry中对股骨皮质骨、松质骨、假体等模型赋予相关的材料。(2)接下来对模型进行网格划分，在ANSYS 2023 R1目录树中，利用Mesh功能对从Solidworks中导出的X-T文件模型进行四面体的网格单元划分，尺寸统一大小为5 mm(图6)，为了保证计算的精度达到分析的要求，对网格的类型和网格大小进行控制(表3)。(3)设置边界条件和载荷：为尽量施加膝关节生理情况的受力载荷，此次研究采用45%步态周期支撑相中足趾离地时的静力学分析，将股骨模型近端所有节点的X、Y、Z轴方向上的自由度均被约束为0 mm；然后予以施加胫股关节轴向压缩负荷2 100 N(内侧髁60%+外侧髁40%)，内外旋转扭矩为7 Nm，髌股关节面的压缩负荷为225 N，股骨髁部远端的剪切力为220 N[21](图7)。

1.5.5 AFN深度为3 mm使用骨水泥填补模型的有限元分析

根据上述实验步骤得出应力云图及应力值，发现当切迹深度由2 mm增加到3 mm时应力增大出现骤变，故在Solidworks软件中建立用骨水泥填补深度为3 mm的AFN模型，X-T格式进行保存输出导入至ANSYS 17.0软件进行有限元网格化，有限元网格划分后节点为23 907，单元数为12 616。予以材料赋值后使用上诉方法进行力学分析。

1.6 统计学分析

各组数据用统计表和统计图表示，不同骨质强度之间的比较和不同AFN深度之间的比较分别运用单元线性回归分析；而骨水泥填补AFN深度为3 mm、AFN深度为3 mm、未发生AFN之间运用单因素方差分析，其检验水准均为α=0.05。所有数据处理都在SPSS 25.0软件上完成。文章统计学方法已经贵州医科大学、贵黔国际医院生物统计学专家审核。

2 结果Results

2.1 股骨髁上应力分析云图

在ANSYS 2023 R1软件中对模型进行网格化并赋予不同材料值，给予外力载荷后得到应力云图如图8-10所示。

2.2 股骨髁上应力特点

2.2.1 实验结果汇总

由表4、图11可看出，任何骨质强度下，髁上应力都随AFN深度加深而增加。同一骨质条件下，随着骨质条件下降，股骨髁上应力也逐渐增大；在正常骨质情况下，当AFN深度在3 mm和4 mm间有一个应力突变点；在骨质疏松情况下，当AFN深度在2 mm和3 mm间有一个应力突变点。

2.2.2 同种AFN深度情况下骨质强度对股骨髁上应力的影响分析

将每一种AFN深度下骨质条件对髁上应力的影响分别进行分析，将3种骨质条件的弹性模量作为自变量设为X，股骨髁上最大等效应力作为因变量Y，选择单元线性回归统计分析，分析自变量X与因变量Y之间的关系。将每种AFN深度情况下的数据导入SPSS 25.0进行单元线性回归分析，得到分析数据如表5所示。

由表5可以看出，在AFN深度为3 mm时，P值为0.044<0.05，具有统计学意义；回归方程系数为-0.03，表明切迹深度超过骨皮质(2.96 mm)厚度时，骨质强度与髁上最大等效应力存在负相关关联；即骨质强度越低，股骨髁上应力越大。

2.2.3 同种骨质强度下AFN深度对髁上应力的影响分析

将每一种骨质强度下的AFN深度对髁上应力的影响单独进行分析，将AFN深度H作为自变量设为X，股骨髁上最大等效应力作为因变量Y，选择单元线性回归统计分析，分析自变量X与因变量Y之间的关系。将数据导入SPSS25.0进行单元线性回归分析，得到分析数据如表6所示。

由表6可看出，每种骨质条件下的预测模型拟合度均>0.9，拟合度极佳；回归方程系数均为正值，说明此回归方程为正相关方程，自变量与因变量之间存在正相关关联；3种情况P值均<0.05，存在统计学意义。总结上述可得出：不同骨质强度下，AFN深度明显影响股骨髁上最大等效应力，且随着AFN深度加深，股骨髁上最大等效应力随之增加。

2.3 骨水泥填补AFN对股骨髁上最大等效应力的影响

AFN深度为0,3 mm及骨水泥填补深度为3 mm时髁上最大等效应力结果如表7所示。将上述3组数据进行单因素方差分析，结果如下：

2.3.1 AFN深度为0 mm和3 mm的比较

如图12所示，从表7中可看出，正常没有AFN组和AFN深度为3 mm组股骨髁上最大等效应力分别为(35.99±1.62)及(57.76±6.90) MPa，差异近12 MPa，差异有显著性意义(P=0.02<0.05)。

2.3.2 AFN深度为3 mm和采用骨水泥填充AFN比较

如图13所示，AFN深度为3 mm+骨水泥、AFN深度为3 mm时股骨髁上最大等效应力分别为(42.40±2.37) MPa及(57.76±6.90) MPa，用骨水泥填补AFN后髁上最大等效应力降低，差异有显著性意义(P=0.018<0.05)。

2.3.3 正常没有AFN和AFN深度为3 mm+骨水泥的比较

如图14所示，没有AFN组和骨水泥填补3 mm深度AFN组的股骨髁最大等效应力分别为(35.99±1.62) MPa和(42.40±2.37) MPa，相差不到7 MPa，在3组数据的单因素方差分析的多重比较中，两个样本差异无显著性意义(P=0.119>0.05)。

3 讨论Discussion

3.1 结论

以上结果显示，任何骨质强度下，随着AFN深度加深，股骨髁上应力增大，并集中于切迹处。在正常骨质情况下，当AFN深度在3 mm和4 mm间有一个应力突变点；在骨质疏松情况下，当AFN深度在2 mm和3 mm间有一个应力突变点，再一次证明AFN与膝关节股骨假体周围骨折存在相关性。使用骨水泥填补AFN深度为3 mm的模型，股骨前髁截面应力下降。综上所述，全膝关节置换术中应该避免AFN出现，特别是骨质疏松患者；如术中出现AFN且深度超过骨皮质厚度时，可以采用骨水泥均匀填充AFN以降低股骨髁上应力，降低膝关节股骨假体周围骨折的发生率。

3.2 正常膝关节股骨置换有限元模型的建立

随着计算机技术的飞速发展，有限元分析被广泛用于各大领域；有限元技术在1972年应用于骨科生物力学后[22]，数字医学在骨科领域得到迅速的发展[23]。与传统生物建模方法相比，三维有限元模型不仅可模拟各种传统生物力学实验无法完成的实验研究，而且在建模速度和时间上有着明显的优势[24]。

使用有限元方法进行生物力学研究的关键步骤之一是建立稳定的、准确的、更接近实际情况的模型。对于骨科三维建模领域来说，对不同组织赋值至关重要，通过国内外的大量研究，对骨组织的赋值方法有均值赋值法、灰度赋值及皮-松质骨赋值法[25]；每种赋值方法各有优缺点，均值赋值法是为了简化实验，但与真实情况存在较大差异；灰度赋值及皮-松质骨赋值法更接近实际情况[26]，两者无明显差异，此次实验CT数据为正常骨质条件志愿者提供，故选择皮-松质骨赋值法，更符合真实生物力学特征。虽然三维有限元模型的建立是基于实体数据和真实情况，但构建好模型后需要进行模型有效性的验证，验证方法有与实体生物力学实验结果相比较与已验证的计算机模型做比较[27]；第一种方法成本极高且很难获取良好的实体标本，临床中大都使用第二种方法进行验证。此次实验模型与既往向相关文献研究结果相近[28-29]，可用于有限元的分析，对临床的应用具有一定的参考性和指导性意义。

3.3 不同骨质强度发生AFN对股骨髁上应力的影响

随着关节外科的迅速发展，全膝关节置换术能有效缓解晚期膝关节的疼痛，恢复患肢力线，而达到良好的膝关节功能，提高了患者生活质量，已经成为膝骨关节炎、类风湿关节炎、膝关节创伤性关节炎，以及其他一些非化脓性关节病后期的有效治疗措施，被广泛应用于临床[30]。但其仍存在众多并发症，诸如感染、血栓、假体周围骨折、慢性疼痛等并发症给患者及医生带来不小麻烦[31]；随着目前膝关节置换患者高龄化，膝关节置换术后假体周围骨折可导致较高的致死率。假体周围骨折中发生率最高的是膝关节股骨假体周围骨折，导致其发生的原因很多，相关研究表明骨质疏松、AFN是其中两个重要原因。

大量研究表明AFN将导致膝关节股骨假体周围骨折[7-8]，但仍有少数学者认为微小的股骨前皮质与股骨髁上骨折无关[9-10]，目前尚存在争议，此次实验研究表明任何骨质强度下，随着AFN深度的加深，股骨髁上最大等效应力越大；在正常骨质条件下，AFN深度在超过3 mm时；而骨质疏松情况下，当AFN深度超过2 mm，应力出现骤变，且出现应力集中，应力出现骤变后随深度的加深应力增大幅度较前减少。此次实验骨皮质厚度约为2.96 mm，出现应力骤变且集中的AFN深度即为骨皮质完全切除，骨松质完全暴露；这与既往研究的结果显示一致，AFN深度超过3 mm时，股骨髁上应力集中，很有可能导致膝关节股骨假体周围骨折[32-33]。这是因为正常情况下，骨单元作为骨皮质的基本单位，在受到外界生理载荷情况下在间质骨交界处可适当诱发显微裂纹和释放能量，避免应力集中[34]，在病理载荷下，骨单元可以利用最外层间骨板尽量阻止或偏转显微裂纹的迅速生长与扩展，防止宏观裂纹甚至应力性骨折的出现[35]。故当皮质骨完全切除时，髁上应力出现应力骤变且集中，许多研究表明骨质疏松与假体周围骨折相关联。骨质疏松以骨皮质变薄、骨小梁减少为特点，从而骨组织的强度及刚度降低，受到同样的外力更容易导致骨折。此次研究受同样的外力，不同骨质强度下膝关节股骨置换后股骨髁上的最大等效应力与骨质强度呈现负相关，在AFN深度超过骨皮质厚度时，随着骨质强度降低，股骨髁上应力明显增大，说明发生AFN时，骨质疏松患者更容易出现股骨髁上骨折。综上所述，骨质疏松患者行膝关节置换更容易出现假体周围骨折，围术期需行抗骨质疏松治疗，术前需作充分的术前计划，术中需仔细操作，避免AFN的出现，术后需个体化降低患者功能锻炼强度。而在正常骨质情况下，同样需避免AFN的发生。

3.4 膝关节置换术中骨缺损的处理

全膝关节置换术中的膝关节骨缺损是让手术医师头疼的问题，处理不好将明显提高关节翻修率。明确其分型是处理的前提，根据不同的基础参照有很多分型，临床中常用的分型为Stokley分型[36]，根据缺损是否累及周围皮质骨分为包容性和非包容性；另一种常用的临床分型Rand分型是根据缺损深度进行分型[37],A型为缺损深度<5 mm;B型为缺损深度为5-10 mm;C型为缺损>10 mm;D型为空隙型骨缺损，周围骨皮质完整；E型为D型的基础上外周骨皮质不完整。其他的分型与上述两种分型差异不大，且临床中应用不多，在此不一一阐述。对于膝关节置换术中骨缺损的处理，临床中常用方法有金属垫块、自体骨移植、异体骨移植、骨水泥填充[38]。对于Rand A型缺损，使用骨水泥进行填补缺损是一种快速、简单、经济、稳定的处理方案[39]。临床中常用的骨水泥分为磷酸钙骨水泥和丙烯酸酯类骨水泥两种[40]，各有其优缺点。磷酸钙骨水泥生物组织相容性好，对周围软组织损伤较小，常用于抗生素和骨诱导因子的载体；但其机械强度不高，不能用于负重区域的骨缺损修复。丙烯酸酯类骨水泥虽然其生物相容性较差，但其由固、液双组分材料组成，具有及时塑形、机械强度良好等优点，且大量学者正在研究避其短板，发挥其优点[41]。目前一些学者将聚甲基丙烯酸丁酯微球与脆性聚甲基丙烯酸甲酩共混制成低模量聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，将其性能进行了改良，临床中常用于人体密度高组织的置换或修复。此次实验结合上述骨缺损分型及处理方案，选择丙烯酸酯类骨水泥填补AFN，研究其最大应力的变化进而探索骨水泥的修复作用。当使用骨水泥填补AFN后股骨髁上应力减少，再一次说明骨水泥对修复生物体坚硬组织具有一定效果。

3.5 此次研究的不足之处及对未来的展望

此次实验通过构建不同骨质条件下AFN的膝关节股骨置换模型，探索了不同骨质强度下AFN深度对股骨髁上应力的影响，但骨组织是一种极为复杂的生物复合材料，故其生物力学是十分复杂的，骨组织周围组织对其力学特点也存在影响，因此以下方面是此次实验的不足之处及对今后的展望：(1)膝关节的组成复杂，周围软组织对其运动起到非常重要的作用，此次实验基于实验条件及技术，简化了实验模型，今后的研究需全面、更加真实地构建模型；(2)有限元分析法模型的单元划分、节点选择及材料赋值在一定程度上是被假定的，并不能真实代表人体骨组织，不能准确代表骨组织内不同区域的弹性模量变化；(3)此次实验进行了既往文献中常用的静力学分析，而膝关节的运动是极为复杂的，上下楼梯、平地行走、游泳、爬山时其所受的应力是不一样的，今后应探索膝关节各方面运动的动力学研究，更加真实、全面地体现膝关节的生物力学特点；(4)此次实验中AFN深度分组较少，数据样本不大，未进行AFN长度和横截面积的影响研究；今后应研究AFN的长度、横截面积对股骨髁上应力的影响；(5)皮质骨、松质骨是骨组织的宏观组成，此次研究基于宏观概念，不能准确体现骨组织的生物复杂性，今后应在骨组织的微观结构层面作生物力学研究。

参考文献：

[1]周金海,李江伟,王序全,等.不同骨强度下全膝置换过程中发生股骨前皮质切迹的三维有限元分析[J].中国组织工程研究,2025,29(09):1775-1782.

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