全膝关节置换假体尺寸和植入位置对股骨胫骨相对位移的影响

摘    要：

目的 研究人工膝关节置换后不同膝关节假体尺寸和植入位置对膝关节股骨胫骨相对位移的影响，以期为临床手术方式的选择提供参考。方法使用健康受试者和膝骨关节炎（knee osteoarthritis,KOA）患者的术前CT和MRI数据，建立有限元模型。采集受试者步态参数和地面反作用力，使用三维动态捕捉系统和三维测力台同步采集数据。使用四号、六号和八号PS型假体在有限元模型上模拟人工膝关节置换，将胫骨假体向关节内外各移动1 mm，分析不同假体尺寸和植入位置在站立位、地面反作用力第一峰值和第二峰值时刻的股骨胫骨相对位移。结果 在健康受试者模型中，股骨胫骨相对位移极值分别为0.43 mm和0.30 mm。在KOA患者模型中，假体植入位置和假体尺寸都会影响股骨胫骨相对位移。当股骨假体植入中心位置时，不同假体尺寸的股骨和胫骨相对位移峰值不同。当股骨假体向外或向内移动1 mm时，股骨和胫骨之间的相对位移峰值也不同。结论 假体中立位植入股骨胫骨相对位移最小。术前对假体尺寸和植入位置进行合理分析和规划有助于提高临床手术效果，医生应尽量避免假体植入偏向膝关节内侧。

关键词：全膝关节置换;有限元分析;假体尺寸;假体植入位置;股骨胫骨相对位移;

0 引言

膝骨关节炎（knee osteoarthritis,KOA）在60岁以上人群中发病率高达65%，是导致老年人残疾的主要原因之一，极大地影响患者生活质量。全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）是治疗终末期膝骨关节炎的有效方法之一[1]，虽然TKA的手术效果较好，可以有效缓解或消除疼痛、恢复行走功能，但是研究显示仍有高达20%的患者对手术后的效果不满意，其重要原因之一是膝关节功能恢复没有达到患者的预期[2]。关节不稳定是TKA术后膝关节功能恢复不好的主要原因之一[3]，据文献统计，2004～2014年膝关节术后不稳定占TKA术后翻修手术的7.5%[4]，到2021年膝关节术后不稳定已经成为膝关节翻修中第一大病因，占翻修手术的10%～22%[5,6]。屈膝不稳是膝关节不稳定常见的现象，体现之一是股骨-胫骨相对位移内侧3 mm、外侧4 mm以上分离，前后方5 mm以上甚至脱位[7,8]，其原因包括过度切除股骨后髁、股骨远端切除不足以及使用后交叉韧带保留型假体时后交叉韧带的渐进性衰减[9]；有学者认为屈曲不稳定可以通过选用较大的假体尺寸进行改善，也有学者认为屈曲间隙较大时可以采用较小型号的股骨假体进行平衡[10]。对于因假体尺寸和植入位置的不同而造成术后膝关节不稳定的现象，目前仍存在较大争议[11,12]，本研究旨在通过建立健康人和TKA术后膝关节有限元模型，模拟全膝关节置换手术，来研究不同假体尺寸和不同植入位置对TKA术后站立位以及步态周期中的两个地面反作用力峰值时的股骨-胫骨相对位移的影响，以期为临床手术方式的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究招募了2名健康受试者和2名重度KOA患者。受试者均无其他神经运动系统疾病，两名患者均住院准备接受全膝关节置换手术，提前告知受试者实验内容以及注意事项，签订知情同意书。

1.2 步态测量

使用Motion Analysis公司的三维运动捕捉系统和Kistler公司的三维测力台测量受试者步态和足底压力，粘贴19个标记点并进行标定后，在嵌有测力台的10 m步道上进行自然行走。每位受试者共获取3次有效步态数据，计算出地面反作用力峰值与膝关节屈曲角度[13]。

1.3 有限元模型的建立

基于已发表的文献[13,14]，本研究使用健康受试者和患者术前CT和MRI图像，建立膝关节有限元模型。研究中使用的膝关节假体为PS型假体（春立正达公司，中国），依据TKA手术操作手册和患者手术记录，在临床手术医生指导下，在KOA患者术前模型上进行TKA模拟手术。

1.3.1 健康受试者膝关节三维重建

使用Mimics19.0(Materialise公司，比利时）的CT Bone功能，利用阈值设定、图像分割、自动提取和光滑包裹等功能，构建受试者下肢的三维模型，包括股骨和胫骨。使用3-Matic软件生成软骨和半月板，并确保各部分之间的紧密贴合。使用Rapid form XOR3(Rapid form公司，韩国）软件对模型进行表面降噪和实体转化处理，并去除结构之间的重叠和冗余部分，保证各组织之间的紧密贴合。通过调整局部坐标系实现精确力的加载大小，韧带部分使用Abaqus6.14版本号（SIMULIA公司，美国）建立（图1）。

1.3.2 术后有限元模型的建立以及TKA模拟手术

通过CT数据建立三维模型，进行全膝关节置换模拟手术，遵循股骨远端截骨面垂直于下肢力线[15]和股骨假体旋转对位以股骨通髁线为参考轴[16,17]的原则。截骨过程中，首先进行胫骨平台截骨，遵循截骨平面在冠状面与下肢力线垂直的原则进行后倾角截骨，然后安装股骨假体并确保假体覆盖股骨远端并与胫骨假体相互吻合。

为研究不同假体尺寸对股骨胫骨相对位移的影响，选择不同尺寸的假体进行比较。假体数据来自春立正达公司提供的三维实体数据，放置过程在Rapid form软件中完成。完成全部假体植入，模拟手术结束（图2）。

1.4 材料属性

为简化接触应力分析过程，模型中各个部分的材料属性均为各向同性、均匀、连续的弹性材料[14]，各个部分的杨氏模量和泊松比[13]如表1所列。

1.5 网格属性

本研究中骨骼、软骨和半月板均采用C3D10（十结点二次四面体）单元，韧带部分采用T3D2（两结点线性三维衔架）单元。

1.6 约束设置

模型的软骨和皮质部分采用绑定约束，将半月板前后部分和胫骨软骨绑定，股骨皮质和松质部分设置成绑定约束[26]。韧带和皮质部分，设置为绑定约束且材料属性上设置成无压缩；股骨软骨和胫骨软骨以及半月板之间的接触，在切向设置为无摩擦的有限滑移，法向则设置为硬接触以防止接触时互相重叠[18]。

术后模型的假体和松质、皮质部分通过绑定约束来达到术后骨水泥的效果。而股骨假体和聚乙烯垫片之间的接触在切向运动设置成摩擦系数为0.05的有限滑移，法向运动设置为硬接触[19]。

1.7 加载方式

加载分为两步：第一步施加较小的力，沿Z轴方向在胫骨远端加载盘上使股骨与胫骨两部分预先接触；第二步则在相同位置上施加目标载荷。本研究采用三维运动捕捉系统和力平台采集的数据，有限元模型均采用站立位以及地面反作用力峰值时刻的膝关节屈膝角度和地面反作用力作为加载条件[20]（图3）。

1.8 模型计算

在Abaqus的Job模块中提交分析并从中得到膝关节在三个步态周期时刻的膝关节合力[10]，与术前三维动态捕捉系统逆向动力学计算结果进行对比[12]，并分析股骨与胫骨相对位置变化。模型载荷见表2。

2 结果

2.1 健康受试者有限元模型对比结果

两位健康受试者的有限元模型计算的关节合力与三维运动捕捉系统和三维测力台计算的关节合力对比结果，在三个时刻均高于95%。表3列出了健康受试者1的计算结果比值。该研究表明，分析三个时刻的膝关节接触合力能在一定程度上反映膝关节的力学特性。有限元模型用来分析膝关节的接触力具有一定的合理性，显示两种计算方法的结果一致性。Chehab等[21]学者认为，尽管峰值测量值仅代表步态周期中的一个点，但它们可以作为力矩波形和膝关节实际负载环境的可行替代测量值。

2.2 TKA术后有限元模型对比结果

两位KOA患者术后有限元模型计算的关节中心合力与三维运动捕捉系统和三维测力台计算的关节中心合力的对比结果在三个时刻均在91%以上。表4列出了患者1的计算结果比值。

2.3 股骨-胫骨相对位移

本研究所建立的模型中，股骨-胫骨相对位移在步态三个时刻中都存在胫骨相对于股骨向外位移的趋势（表5、表6）。

3 讨论

健康受试者模型与KOA患者术后模型的关节合力计算结果与步态测量的计算结果相近（表3、表4），有限元模型具有一定的合理性。

参考以往文献[22,23]，股骨胫骨相对位移在TKA手术中十分重要。本研究模拟发现，选择临床医生规划的最适假体尺寸可降低股骨胫骨相对位移，且各种假体尺寸模型的计算结果均未超过安全范围。然而，选择较小的假体尺寸时，可将假体植入位置向外偏移1 mm以减轻尺寸影响。但需要注意，向内偏移会导致股骨相对于胫骨向内位移，可能会降低术后手术效果。值得注意的是，应尽可能避免应力集中现象以降低TKA手术失败的概率并提高假体寿命。

股骨胫骨相对位移的计算结果显示，不同的假体尺寸和不同的股骨假体植入位置都有不同的差异，差异范围均在0.5 mm以内。临床医生实际植入的假体在股骨胫骨相对位移上较少，仅为0.05 mm（第一位KOA患者）和0.20 mm（第二位KOA患者）。本研究存在一定的局限性，受试者只有4人，有限元模型也限于静态分析，而且没有考虑肌肉力，今后应该开展多样本量、包含肌肉等软组织的动态有限元分析研究。

4 结论

假体中立位植入可减少股骨胫骨相对位移，避免偏向内侧植入可以提高手术效果。因此，在临床手术中，医生应该合理规划假体尺寸和植入位置，以确保膝关节的稳定性和手术效果。

参考文献：梁志强,杨子涵,杜明明,解浩,闫松华,曾纪洲,张宽.全膝关节置换假体尺寸和植入位置对股骨胫骨相对位移的影响[J].北京生物医学工程,2023,42(03):271-276.