单髁置换术定位孔位置分布对术后胫骨平台力学性能的影响

摘    要：

目的 探究两引脚法下单髁置换术后胫骨生物力学特征，以降低术后胫骨骨折风险。方法 该研究分割下肢CT图像并重建胫骨三维模型，构建术后胫骨平台有限元模型，模拟在4种不同的两引脚法打孔组合下，胫骨平台的应力分布。结果 第3种模式下，胫骨平台近端内侧边缘的定位孔出现最高的应力数值，定位孔位置靠近胫骨平台近端内侧边缘出现应力集中。结论 在膝关节单髁置换术的两引脚打孔方案下，应避免打孔位置靠近胫骨平台近端内侧。

关键词：生物力学;膝关节;单髁置换术;有限元分析;导板定位钉;胫骨平台;

0 引言

膝单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty,UKA）是治疗骨关节的成功治疗策略之一，UKA的目标是通过人工植入物替换膝关节病患区域来缓解疼痛并恢复膝关节功能，内侧骨关节炎的患病率很高[1,2]，最常见的类型是内侧UKA,UKA具有非常高的成功率[3,4]和较高的中长期存活率[5]。与全膝关节置换相比，UKA具有以下优势：手术暴露区域小，保留了十字韧带和大部分胫骨，降低了术后并发症风险[6,7,8,9]。UKA技术已经十分成熟，但是仍面临小概率的严重并发症[10,11]。这些并发症具体的表现为，UKA胫骨假体下方的内侧胫骨平台应力性骨折，如病情恶化，导致胫骨底板松动或胫骨平台塌陷[12]。因此，UKA植入物和周围骨骼的结构稳定性对于患者康复至关重要。如何避免出现假体周围骨折发生非常重要，据研究报道，与冠状面超过6°内翻或任何胫骨外翻都会显著增加内侧室骨折风险[13]。在低骨密度区域打孔以及在UKA术中打多个孔，会增加骨折的风险[14,15]。为了降低骨折风险，虽然目前各品牌UKA制造商都推荐两引脚打孔方案，但是仅使用两引脚方案仍有机会发生骨折[16,17]，目前尚不清楚打孔位置分布的差异如何诱发胫骨骨折，目前UKA打孔两引脚法中打孔的位置分布仍无相关指南可以参考，如何保证打孔后胫骨平台力学性能最优亟待深入研究。近几十年，有限元分析（finite element analysis,FEA）越来越多地用于骨科领域。FEA以操作简单性、数据可靠性、参数化建模等特点，已成为骨科生物力学重要的研究方法[18,19,20,21,22,23]。本研究将使用FEA技术来研究不同打孔位置分布对UKA术后胫骨平台应力分布的影响。

1 有限元分析模型建立

有限元分析的技术流程如图1所示，首先需要从下肢CT数据分割三维重建得到下肢的三维几何模型，同时，需要通过计算机辅助设计（computer aided design,CAD）获得UKA假体模型。然后把下肢模型和假体模型导入3-Matic软件（比利时，Materialise公司）进行编辑，得到UKA术后模型，然后导入有限元分析软件，建立有限元分析的网格模型。

1.1 胫骨三维几何模型

本研究使用一名下肢无任何解剖学上异常情况志愿者的下肢CT图像来建立三维模型。使用图像分割软件Mimics（比利时，Materialise公司）对CT数据进行阈值分割，然后利用Region growing功能分割出胫骨，利用Calculate 3D功能计算出胫骨的3D模型。把胫骨3D几何模型向内偏移2 mm生成骨小梁结构，用胫骨3D模型减去骨小梁结构生成皮质骨3D模型，得到包含皮质骨和骨小梁的3D模型。切割后的胫骨平台几何模型，如图2(a)所示，绿色几何体为皮质骨结构，深蓝色几何体为骨小梁结构。膝关节中心定义为股骨关节面髁间窝的顶点，髋关节中心即股骨头中心点，采用Mose圆法确定，踝关节中心定义为距骨宽度的中点[24]。力线定义为连接髋关节中心和踝关节中心的连接线，见下肢力线示意[图3(a)红色虚线]。UKA假体由CAD软件Solidworks软件（美国达索系统）使用逆向工程方法设计，UKA植入假体，如图2(b)所示。根据ZUK（美国Zimmer公司）技术手册规定，在内侧胫骨上组装UKA假体。通过在胫骨的切割表面和胫骨的底部之间插入2.0 mm厚的骨水泥层来固定UKA假体。

1.2 胫骨平台切割平面设计

为了模拟UKA后胫骨的形态，胫骨近端的横状切口设定为位于内侧胫骨平台以下4 mm的深度[见图3(b)]，胫骨轴的后倾角为5°[见图3(c)]，垂直于冠状胫骨轴[见图3(a)]。矢状切割平面由垂直于横向切割平面并穿过内侧胫骨内侧边缘的平面，切割后的胫骨平台几何模型，如图2(a)所示。最后按照UKA手术要求，在切割后的胫骨平台上安装UKA假体，最终的UKA术后模型如图2(c)所示。

1.3 4种打孔模式设计

根据胫骨切割导板的设计放置2个销孔。使用打孔和切割导轨水平平移的2种组合产生了4种引脚配置模型，4种不同的打孔模式如图4所示。其中，(a)为模式1，两个孔紧靠矢状胫骨切割平面；(b)为模式2,1个孔紧靠矢状胫骨切割平面，另外一个孔紧靠胫骨平台边缘，即靠近胫骨内侧；(c)为模式3,2个孔紧靠力线；(d)为模式4，一个孔紧靠力线，另一个位于胫骨横状切口中心位置下。在模式1和模式2中，胫骨导轨与矢状面对齐。模式3和模式4通过横向水平移动切割导轨的近端部分与胫骨力线对齐（即：使用组件中轴处的M/L），同时保持垂直于力线的横向切割。

1.4 有限元模型建立

在Abaqus软件（美国达索系统）中，由于胫骨几何体的表面不规则，我们采用四面体网格来划分胫骨模型，网格尺寸为3 mm，划分生产大约784 000个四面体，最后生产的网格模型如图5所示。根据文献的材料属性[25]，聚乙烯衬垫、钛合金胫骨平台、骨水泥层的杨氏模量分别为0.65、110.6、2.65 GPa，泊松比分别为0.46、0.33和0.46。皮质骨和小梁骨的杨氏模量被定义为0.83 GPa和13.4 GPa，泊松比为0.3。载荷施加为沿力线[如图3(a)所示]向下，施加在聚乙烯衬垫表面大小为1 000 N的载荷，模拟68 kg体重患者的站立情况。聚乙烯衬垫和钛合金胫骨平台之间建立绑定约束，胫骨平台与骨水泥之间，骨水泥与骨小梁之间建立接触。骨小梁和皮质骨之间建立共节点约束。

1.5 有限元求解

模型分析模式被设置静态模型。使用Abaqus软件的Static、Genera分析类型。求解器使用自动增量步，初始增量步步长为1，最小增量步为1×10-5，最大迭代增量数量为100。求解器运行在Think Pad P15移动工作站上进行，每一个模型求解时间约为15 min。

2 结果

为了研究打孔位置对UKA术后胫骨平台的von-Mises应力分布的影响，我们分析胫骨模型上面的应力大小，应力云图分布以及应力集中情况。4种打孔模式下UKA术后胫骨应力云图，如图6所示，4种模式的应力云图、应力等值面分布形状相似，高应力区域即图中应力云图偏黄色 区域都集中在矢状面切割平面左侧，高应力区域的应力维持在7 MPa水平，远低于皮质骨材料的屈服强度[26]（以50岁年龄的女性研究数据为例，屈服强度约为140 MPa）。但在模式2情况下，远端孔出现了应力集中情况，而且数值保持高位，如图7所示，达到了29MPa。参考图6中其他3种模式，所有孔圆周区域的应力基本处于2～7 MPa。模式2的孔附近的应力集中数值是其他3种模式应力峰值的4倍左右。在4种模型中，矢状面切割平面边缘应力最大。在模式2中，矢状面切口周围分布高应力区域。在4种模式中，随着孔位置远离力线，von-Mises应力呈增加的趋势，应力更加集中，反之，孔放置位置越靠近中心位置，von-Mises应力呈降低趋势，应力分布均匀。4种模式下，胫骨最大von-Mises应力除模式2外，都处于30 MPa左右，模式2最大应力达到60 MPa，约为其他模型的两倍。模式2情况下，应力高度集中，且保持高水平的数值。

3 讨论

3.1 UKA植入物打孔有限元分析的意义

UKA植入物和周围骨骼的结构稳定性对于患者的早期康复至关重要。本研究通过有限元分析评估了胫骨切割导轨放置过程中产生的打孔组合不同而导致的胫骨表面von-Mises应力分布情况。分析结果表明，与将其放置在更靠近胫骨内侧或矢状面胫骨切割平面下方相比，选择打孔位置靠近胫骨力线的位置将减小胫骨近端的应力。据文献[27,28]显示，胫骨平台假体周围骨折的发生率为0%～10%。胫骨平台假体周围骨折是UKA后非常严重的并发症。早期非移位应力性骨折可通过保护性承重或螺钉固定进行保守治疗。对于急性骨折情况，需要内侧支撑板固定[9]。

3.2 UKA打孔模式对术后孔周应力分布的影响

在本研究中，我们发现在4种模式下von-Mises应力图上都有相似的独特高应力区域（图6中偏黄色 区域），在本研究称为应力中心带，即高应力区域沿着胫骨内侧发展分布；围绕应力中心带的是次高应力区域（图6中绿色和黄色之间的区域），即应力外周带。这一现象和UKA术后骨折的临床病例相符[15]。将胫骨切割导轨固定销打孔位置放置在紧靠胫骨内侧区域（模式2），会诱发应力集中。在模式4打孔远端孔呈现最小的应力，该孔远离应力中心带和外围带；在模式3中，近端和远端打孔都远离中心带和外围带，应力值最小，表明这是最安全的打孔方案。打孔离中心带和外围带距离越远，孔周应力分布越均匀，应力峰值越低。

3.3 UKA打孔模式对术后胫骨应力峰值的影响

UKA术后胫骨应力峰值如表1所示，4种模式下，应力峰值都出现在横状面和矢状面切割平面交叉点，模式3和模式4唯一区别是近端孔的位置，模式3位于紧靠力线区域，模式4位于中心带的中心位置，相比模式1和模式3，峰值应力下降了3 MPa。不同于其他模式近端孔都偏离了假体中心的正下方，模式4的近端孔位置位于UKA假体中心的正下方。近端孔位于假体中心正下方会降低胫骨的vonMises应力峰值。

3.4 UKA手术最佳的打孔方式及打孔指导

为了减小风险，两引脚打孔法需要把远端孔的位置固定在紧靠力线的区域。比如模式3和模式4的远端孔都紧靠力线。对于适用两引脚打孔方案的患者，推荐使用模式4的打孔方案。避免在中心带放置孔对骨质疏松症患者是相对安全的，因为骨材料的疲劳寿命和应力大小的非线性关系，更小的峰值应力，意味着更长的疲劳寿命[29,30]。综上所述，在UKA手术过程中，采用模式4的打孔方案，先打靠近力线远端孔，如果发生震动，则在中心带的中心位置打近端孔。

3.5 创新与不足

本研究通过有限元分析，探究了最大的打孔方案，为减小UKA术后骨折风险提供了理论指导。本研究表明合理的打孔方式会降低术后胫骨平台的最大应力，让胫骨平台的应力分布更加均匀，从而减小中长期骨组织疲劳，进而诱发骨折的风险低于具有骨质疏松症的患者，因此降低胫骨平台的应力集中和应力峰值非常重要。本研究存在一些局限性。首先，这是一项初步的有限元研究，旨在评估与胫骨近端不同打孔位置相关的应力分布情况。重建的模型基于正常的中国女性胫骨模型，对其他种族或性别的推广性未知。随后，我们根据ZUK的手术技术设计和说明，模拟了虚拟胫骨切口。如果测试其他品牌的固定轴承UKA或移动轴承UKA,FEA可能会发生变化。最后，本研究显示的应力值仅用于4种模式之间的比较和风险评估。应力值与实际材料失效之间的相关性可能需要通过生物力学测试进一步验证。在后续研究中，可以加入尸体的生物力学作为验证，通过光学追踪系统，例如NDI光学追踪设备，对加载过程的位移进行监测，利用薄膜压力传感器，记录胫骨和假体表面的应力变化，所获得的位移和压力数据可以作为参考，以改进有限元分析模型。

4 结论

本研究利用有限元分析技术，模拟UKA打孔两引脚法打孔的4种模式，得到胫骨的von-Mises应力分布，分析说明紧靠力线打远端孔，在靠近中心带位置打近端孔，能降低胫骨的峰值应力，使应力分布均匀，从而降低术后骨折风险。UKA手术应该避免在靠近胫骨内侧边缘位置打近端孔。

参考文献：[1]侯增涛,吕晓,张金锋.单髁置换术定位孔位置分布对术后胫骨平台力学性能的影响[J].中国医疗器械杂志,2023,47(05):502-506.

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