肥胖患者膝關(guān)節(jié)置換脛骨延長(zhǎng)桿對(duì)脛骨應(yīng)力分布影響的研究

強(qiáng)碩 高宗炎 許奎雪 張建鵬 鄭稼

肥胖患者膝關(guān)節(jié)置換脛骨延長(zhǎng)桿對(duì)脛骨應(yīng)力分布影響的研究

強(qiáng)碩 高宗炎 許奎雪 張建鵬 鄭稼

目的使用有限元技術(shù)來(lái)研究肥胖患者膝關(guān)節(jié)置換中脛骨側(cè)不同長(zhǎng)度延長(zhǎng)桿的使用對(duì)脛骨應(yīng)力分布的影響以及脛骨內(nèi)翻截骨時(shí)脛骨平臺(tái)所受應(yīng)力變化。方法 選取 1 名正常健康女性志愿者，通過(guò)螺旋CT 掃描，三維重建及有限元分析軟件，建立三維膝關(guān)節(jié)脛骨側(cè)模型。使用標(biāo)準(zhǔn)脛骨假體，長(zhǎng)度 60 mm，長(zhǎng)度 100 mm 延長(zhǎng)桿。建立標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)、平臺(tái)＋60 mm 延長(zhǎng)桿、平臺(tái)＋100 mm 延長(zhǎng)桿和內(nèi)翻 5° 平臺(tái)四組有限元模型，加載肥胖患者行走時(shí)壓力，分析脛骨應(yīng)力分布情況。結(jié)果 當(dāng)使用 60 mm 及 100 mm 延長(zhǎng)桿時(shí)，脛骨所承受軸向應(yīng)力最高分別達(dá)到 66.3 MPa 和 67.2 MPa，與標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的脛骨軸向應(yīng)力 ( 42.3 MPa ) 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P＜0.05 )。當(dāng)使用 60 mm 延長(zhǎng)桿時(shí)，脛骨后側(cè)平臺(tái)應(yīng)力為 ( 3.12±1.20 ) MPa，與對(duì)照組中后側(cè)平臺(tái)應(yīng)力差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＜0.05 )；但 60 mm 與 100 mm 延長(zhǎng)桿在后側(cè)平臺(tái)方向應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＞0.05 )。在100 mm 延長(zhǎng)桿模型中，內(nèi)側(cè)平臺(tái)的應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)、60 mm 延長(zhǎng)桿組的應(yīng)力明顯減小 ( P＜0.01 )。前側(cè)、外側(cè)平臺(tái)的應(yīng)力分布在各個(gè)模型中差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＞0.05 )。當(dāng) 5° 內(nèi)翻截骨時(shí)，脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。結(jié)論 在數(shù)字化模型中，脛骨平臺(tái)延長(zhǎng)桿可以起到傳導(dǎo)近端脛骨應(yīng)力的作用。當(dāng)脛骨平臺(tái)后側(cè)骨缺損時(shí)，建議使用 60 mm 延長(zhǎng)桿分散平臺(tái)應(yīng)力；當(dāng)脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)骨質(zhì)條件較差時(shí)，使用 100 mm 延長(zhǎng)桿才能起到分散應(yīng)力的作用。

脛骨；有限元分析；應(yīng)力，物理；人體質(zhì)量指數(shù)；關(guān)節(jié)成形術(shù)，置換，膝

【Key words】Tibia; Finite element analysis; Stress, mechanical; Body mass index; Arthroplasty, replacement, knee

隨著肥胖人群的顯著增加以及我國(guó)的人口老齡化趨勢(shì)日益嚴(yán)峻，全膝關(guān)節(jié)置換 ( total knee arthroplasty，TKA ) 正面臨越來(lái)越多的肥胖患者 ( BMI＞30 )，而肥胖一直是膝關(guān)節(jié)置換失敗的主要危險(xiǎn)因素之一[1]。肥胖的老齡患者常伴有不同程度的骨質(zhì)疏松以及代謝相關(guān)性疾病，TKA 術(shù)后脛骨平臺(tái)假體長(zhǎng)期高負(fù)荷，致關(guān)節(jié)翻修率與并發(fā)癥遠(yuǎn)高于非肥胖患者[2]。有學(xué)者提出[2]，在肥胖患者 ( BMI＞33.7 ) 的TKA 術(shù)中，假體無(wú)菌性松動(dòng)是 TKA 術(shù)后失敗的主要原因，而其中又以脛骨假體松動(dòng)最為常見(jiàn)。使用脛骨延長(zhǎng)桿可以有效分散假體－骨界面的應(yīng)力，維持假體的穩(wěn)定性，降低假體松動(dòng)的概率[3]。但是，延長(zhǎng)桿長(zhǎng)度的選擇并沒(méi)有明確的參考標(biāo)準(zhǔn)，故本研究的目的其一為在數(shù)字化模型中，研究延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度的變化是否會(huì)影響脛骨及假體應(yīng)力分布。

然而，對(duì)于肥胖患者來(lái)說(shuō)，手術(shù)操作中要想完全做到脛骨假體在冠狀面上與下肢力線垂直的難度較大，Winiarsky 及其他一些學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于肥胖患者的 TKA 中使用髓內(nèi)定位會(huì)增加脛骨假體的力線準(zhǔn)確性[1,4-6]，但因?yàn)樗鑳?nèi)定位的并發(fā)癥發(fā)生率較高[4,6-9]，髓外定位以其靈活損傷小等特點(diǎn)受到很多專(zhuān)家的青睞。然而，對(duì)于肥胖患者來(lái)說(shuō)，脛前肌等髓外定位體表解剖標(biāo)志較難準(zhǔn)確觸及，使用髓外定位會(huì)導(dǎo)致脛骨平臺(tái)截骨角度無(wú)法精確測(cè)量，文獻(xiàn)報(bào)道稱[10]，髓外定位時(shí)下肢力線角度為 ( 178± 3.38 ) °，說(shuō)明脛骨平臺(tái)內(nèi)翻在在髓外定位中發(fā)生率較高，本研究使用有限元技術(shù)來(lái)分析肥胖患者中，( 1 ) 脛骨平臺(tái)截骨角度內(nèi)翻 5° 與 0° 截骨時(shí)相比，脛骨平臺(tái)及假體應(yīng)力分布異同；( 2 ) 延長(zhǎng)桿長(zhǎng)度的變化是否會(huì)影響脛骨及假體應(yīng)力分布。

材料與方法

一、研究對(duì)象

選取成年女性的脛骨標(biāo)本，先行 X 線檢查以排除損傷、骨病等病理變化。用螺旋 CT 機(jī) ( SIEMENS SOMATOM ) 對(duì)標(biāo)本進(jìn)行掃描，間距 1 mm，條件120 kv，140 mAs，得到連續(xù)橫斷面圖像 330 層。圖像文件輸入計(jì)算機(jī)保存以 DICOM 格式保存，建立脛骨的三維模型。

二、實(shí)驗(yàn)方法

經(jīng)過(guò)影像處理軟件 mimics15.0 ( Materialise ) 轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，并導(dǎo)入三維 CAD 軟件 Unigraphics NX8.5 ( Siemens ) 進(jìn)行模擬手術(shù)，植入脛骨平臺(tái)假體、骨水泥及延長(zhǎng)桿。材料參數(shù)采用 Stolk 等[11]提出的數(shù)據(jù)。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及植入體均為各項(xiàng)同性材料，皮質(zhì)骨彈性模型為 17GPa，松質(zhì)骨彈性模量為 0.4GPa，脛骨平臺(tái)和延長(zhǎng)桿材質(zhì)均為 Ti6Al4V，Ti6Al4V 和骨水泥的彈性模型 ( 表1 )。

表1 不同材料的彈性模量與泊松比Tab.1 Elasticity modulus and Poisson’s ratios of different materials

三、有限元模型的建立及分組

膝關(guān)節(jié)選用 ACCK 假體 ( 愛(ài)康中國(guó) ) 按照公司提供的規(guī)格，在 NX8.5 軟件上構(gòu)建膝關(guān)節(jié)假體模型，以 modfem 格式保存，加載脛骨模型，分別為 0° 截骨 ACCK 型標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái) ( 對(duì)照組 )、0° 截骨＋60 mm 延長(zhǎng)桿 ( 實(shí)驗(yàn) 1 )、0° 截骨＋100 mm 延長(zhǎng)桿 ( 實(shí)驗(yàn) 2 ) 與內(nèi)翻 5° 平臺(tái)截骨 ( 實(shí)驗(yàn) 3 ) 4 種模型，分別加載脛骨模型。模型中，脛骨假體與延長(zhǎng)桿均使用骨水泥固定；并在 100 mm 延長(zhǎng)桿中，延長(zhǎng)桿遠(yuǎn)端與脛骨髓腔壓配。對(duì)模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)模型間接觸的部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。對(duì)平臺(tái)垂直加載2500 N 的力，相當(dāng)于體重指數(shù) BMI＝33.7 時(shí)，身高為 1.6 m 體重為 85 kg 時(shí)，模擬其走路時(shí)所受到的壓力 ( 3 倍人體重量 )[12]；約束條件為脛骨遠(yuǎn)端固定。

對(duì)模型進(jìn)行定量的三維有限元應(yīng)力分析，了解使用不同長(zhǎng)度延長(zhǎng)桿時(shí)及內(nèi)翻 5° 截骨時(shí)，脛骨、脛骨平臺(tái)以及假體所受應(yīng)力的分布特征，使用單因素方差分析比較實(shí)驗(yàn) 1、2 組與對(duì)照組的脛骨平臺(tái)應(yīng)力分布特征以及脛骨前后表面由近端到遠(yuǎn)端應(yīng)力分布差異；分析比較實(shí)驗(yàn) 3 組與對(duì)照組的脛骨假體應(yīng)力分布情況。

在脛骨有限元模型上，讀取脛骨平臺(tái)前側(cè)、后側(cè)、內(nèi)側(cè)及外側(cè)選取相同大小區(qū)域的 10 個(gè)網(wǎng)格的應(yīng)力值，在多個(gè)實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組間進(jìn)行對(duì)比分析；在脛骨模型中，將脛骨由近端到遠(yuǎn)端前后表面正中線上每隔 1 cm 選取相應(yīng)網(wǎng)格單位記錄數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)1、2 組與對(duì)照組中，將 3 組模型脛骨前后表面上同等高度配成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共分為 31 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

利用 SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件，使用單因素方差分析( one-way ANOVA ) 方法，P＜0.05 視為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

當(dāng)膝關(guān)節(jié)垂直受力的模式，模擬 BMI 為 33.7，身高為 1.60 m 的患者下樓梯狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)受力2500 N，所得應(yīng)力分布結(jié)果，脛骨的應(yīng)力水平從近端向遠(yuǎn)端逐漸上升，于脛骨中段后側(cè)達(dá)到高峰，應(yīng)力最大值為 43.3 MPa，置換 60 mm 和 100 mm 延長(zhǎng)桿假體，沒(méi)有改變這種軸向應(yīng)力的模式，但應(yīng)力峰值位置向下傳導(dǎo)，位于脛骨中下 1 / 3 后側(cè)，最高分別達(dá)到 66.3 MPa 和 67.2 MPa，同時(shí)脛骨近端的應(yīng)力減小，100 mm 假體下脛骨近端的應(yīng)力下降 ( 76% )要高于 60 mm 的假體 ( 34% )，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P＜0.05 ) ( 圖1 )。當(dāng)使用 60 mm 延長(zhǎng)桿時(shí)，脛骨后側(cè)平臺(tái)應(yīng)力為 ( 3.12±1.20 ) MPa，與對(duì)照組中后側(cè)平臺(tái)應(yīng)力 ( 4.32±0.52 ) MPa，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P＜0.05 )；但 60 mm 與 100 mm 延長(zhǎng)桿在后側(cè)平臺(tái)方向應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＞0.05 ) ( 表2 )。內(nèi)側(cè)平臺(tái)的應(yīng)力分布趨勢(shì)則與后側(cè)不同，標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)、30 mm 與 60 mm 延長(zhǎng)桿模型中，內(nèi)側(cè)平臺(tái)應(yīng)力分布差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＞0.05 )，而 100 mm 延長(zhǎng)桿模型中，內(nèi)側(cè)平臺(tái)的應(yīng)力比其它 3 組的應(yīng)力明顯減小( P＜0.01 )。前側(cè)、外側(cè)平臺(tái)的應(yīng)力分布在各個(gè)模型中差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( P＞0.05 )。

脛骨平臺(tái)所受應(yīng)力，當(dāng) 5° 內(nèi)翻截骨時(shí)，脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中 ( P＜0.05 ) ( 圖2，3 )，外側(cè)平臺(tái)平均應(yīng)力值明顯減小，前側(cè)及后側(cè)平臺(tái)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( 表3 )，脛骨平臺(tái)假體內(nèi)側(cè)翼出現(xiàn)應(yīng)力峰值 ( 110.2 MPa )，遠(yuǎn)大于外側(cè)翼應(yīng)力值( 57.61 MPa )。

表2 脛骨平臺(tái)各方向上不同桿長(zhǎng)度所受應(yīng)力大小 ()Tab.2 Tibial plateau stress and stem length ()

表2 脛骨平臺(tái)各方向上不同桿長(zhǎng)度所受應(yīng)力大小 ()Tab.2 Tibial plateau stress and stem length ()

脛骨平臺(tái)方向 桿長(zhǎng)度 ( mm ) 0 60 100前側(cè) 1.54±0.40 2.04±1.76 1.97±0.48后側(cè) 11.44±1.08 6.65±2.17 7.46±1.85內(nèi)側(cè) 3.93±1.40 3.21±2.06 2.96±1.79外側(cè) 4.32±0.52 3.12±1.20 3.58±0.71

表3 脛骨平臺(tái)與脛骨截骨角度應(yīng)力 ()Tab.3 Tibial plateau stress and osteotomy angle ()

表3 脛骨平臺(tái)與脛骨截骨角度應(yīng)力 ()Tab.3 Tibial plateau stress and osteotomy angle ()

脛骨平臺(tái)方向 截骨角度0° 內(nèi)翻 5°前側(cè) 1.54±0.404 1.77±0.19后側(cè) 11.44±1.087 14.72±4.20內(nèi)側(cè) 3.93±1.400 13.11±3.85外側(cè) 4.32±0.520 2.40±0.63

圖1 脛骨后側(cè)應(yīng)力分布 a：標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，b：標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái) + 60 mm 延長(zhǎng)桿，c：標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái) + 100 mm 延長(zhǎng)桿圖2 內(nèi)翻 5° 截骨時(shí)脛骨假體應(yīng)力分布Fig.1 Distribution of stress at posterior tibia a: Standard tibial plate; b: Standard tibial plate + 60 mm stem; c: Standard tibial plate + 100 mm stemFig.2 Stress distribution of tibial component in varus 5°

討 論

有研究已經(jīng)證明在膝關(guān)節(jié)假體置換中，假體是否匹配、患者的體重指數(shù) ( BMI ) 和假體是否移位，與假體的失敗存在明顯關(guān)聯(lián)[13-15]。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)失敗的最常見(jiàn)原因?yàn)闊o(wú)菌性松動(dòng)，應(yīng)力變化導(dǎo)致的松動(dòng)可能發(fā)生在骨－骨水泥，假體－骨水泥界面，也可能是因?yàn)榻嗣劰撬少|(zhì)骨塌陷所引起。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脛骨延長(zhǎng)桿的使用可以使脛骨平臺(tái)及脛骨近端所受應(yīng)力減小，當(dāng)脛骨平臺(tái)后側(cè)存在骨缺損或者骨質(zhì)條件較差時(shí)，使用 60 mm 可以有效減少脛骨平臺(tái)后側(cè)所受應(yīng)力，同時(shí)又避免了 100 mm 延長(zhǎng)桿所造成的脛骨遠(yuǎn)端的應(yīng)力集中；對(duì)于脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)來(lái)說(shuō)，較短延長(zhǎng)桿并不能起到應(yīng)力分散的作用，當(dāng)使用 100 mm 延長(zhǎng)桿時(shí)，才能明顯減小內(nèi)側(cè)平臺(tái)應(yīng)力；而對(duì)于脛骨平臺(tái)前側(cè)和外側(cè)，延長(zhǎng)桿的使用并不能減少應(yīng)力。Bourne 通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)研究長(zhǎng)度為 3.75、5、15 cm 的延長(zhǎng)桿對(duì)脛骨應(yīng)力分布的影響，認(rèn)為長(zhǎng)桿假體產(chǎn)生明顯的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，是骨皮質(zhì)吸收和假體尖端骨折發(fā)生率增加的因素，也是影響假體長(zhǎng)期存留的因素。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果支持這一結(jié)論。Brooks 等[16]研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)的 30～40 mm 的短柄假體并不明顯影響脛骨近端松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨殼的受力，而 70 mm 的長(zhǎng)柄假體則承擔(dān)了 23%～38% 的軸向負(fù)荷，這將導(dǎo)致近端的骨量減少，還發(fā)現(xiàn)假體傾斜、內(nèi)側(cè)塌陷越嚴(yán)重，假體－骨水泥，骨水泥－松質(zhì)骨之間的應(yīng)力越大。如果脛骨假體沒(méi)有骨皮質(zhì)的支撐，則基座下方皮質(zhì)骨的應(yīng)力將減少 33%～60%，此處的松質(zhì)骨比較脆弱，應(yīng)力大部分集中在骨－骨水泥界面，容易出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，增加假體松動(dòng)的幾率[17]。

圖3 脛骨內(nèi)翻截骨角度與脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力比較Fig.3 Varus osteotomy and the medial tibial plateau stress distribution

當(dāng)使用 100 mm 長(zhǎng)延長(zhǎng)桿時(shí)，延長(zhǎng)桿下端卡入脛骨髓腔的狹窄部，起到固定的作用，但脛骨力線軸與解剖軸無(wú)論是在矢狀面還是冠狀面上都是不重合的[18-19]，所以安裝延長(zhǎng)桿假體必須是在脛骨平臺(tái)水平截骨的前提下進(jìn)行，若脛骨平臺(tái)截骨面不能精確截骨，則會(huì)造成延長(zhǎng)桿下端與骨皮質(zhì)接觸導(dǎo)致假體無(wú)法裝入或磨損加重。在對(duì)肥胖患者手術(shù)時(shí)，由于下肢體表標(biāo)志辨認(rèn)困難，使用髓外定位經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)截骨角度誤差，這種細(xì)微的誤差即便是非常有經(jīng)驗(yàn)的臨床大夫也無(wú)法全部避免，但是，這些截骨角度微小的誤差，在大體重的載荷下可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致早期假體無(wú)菌性松動(dòng)或骨溶解，進(jìn)而影響假體的使用壽命。本研究結(jié)果表明，脛骨內(nèi)翻 5° 時(shí)截骨會(huì)導(dǎo)致脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)及后側(cè)骨表面應(yīng)力增加，隨著時(shí)間的推移，脛骨內(nèi)側(cè)發(fā)生骨溶解而塌陷導(dǎo)致手術(shù)失敗的可能性增加，這一結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果相近[20-21]。有研究提出，脛骨內(nèi)翻與 BMI＞33.7，這兩個(gè)因素與手術(shù)失敗有高度相關(guān)，且進(jìn)一步證實(shí)內(nèi)側(cè)骨松質(zhì)因高負(fù)荷導(dǎo)致的病變可以通過(guò)精準(zhǔn)的中立位截骨來(lái)避免[19]。Green 等[20]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)脛骨平臺(tái)截骨水平時(shí)，脛骨受力更加平衡，并且可以減少內(nèi)側(cè)骨溶解的發(fā)生。Perillo-Marcone等[22]報(bào)道說(shuō)，在脛骨平臺(tái)內(nèi)翻 2.5°～5° 時(shí)，松質(zhì)骨所受應(yīng)力增加 41%，骨應(yīng)力的增加并不是因?yàn)檩d荷的增加，而是因?yàn)槌惺茌d荷的受力面積減小所致。Winiarsky 等[23]最早提出在肥胖患者的膝關(guān)節(jié)置換操作的難度增加，其包括脛骨截骨對(duì)位不良、軟組織損傷導(dǎo)致的表面感染風(fēng)險(xiǎn)、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)增加深部感染風(fēng)險(xiǎn)等因素。Rottman 和 Devashu[5,24]認(rèn)為對(duì)肥胖患者置換膝關(guān)節(jié)時(shí)，髓內(nèi)定位的精確度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于髓外定位，這一觀點(diǎn)也得到學(xué)者的認(rèn)可[11,25]。筆者認(rèn)為，在肥胖患者 TKA 時(shí)脛骨使用髓內(nèi)定位法，可增加水平截骨的精確度，從而平衡應(yīng)力，減少無(wú)菌性松動(dòng)發(fā)生的幾率。

Levitz 等[26]認(rèn)為，在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后 6 周至6 個(gè)月，脛骨假體下方骨密度值持續(xù)減少，術(shù)后8 周內(nèi)骨密度平均下降 36.4%。Silva 等[27]通過(guò)測(cè)量 13 例全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者應(yīng)力遮擋率與骨丟失的關(guān)系，證實(shí) 50%～60% 的骨質(zhì)丟失源于應(yīng)力遮擋，據(jù)此認(rèn)為：應(yīng)力遮擋率＞30% 時(shí)易出現(xiàn)嚴(yán)重的骨質(zhì)丟失。皮質(zhì)骨區(qū)骨量的減少以及骨密度下降，不利于骨水泥和骨質(zhì)的錨定以及多孔假體表面的骨長(zhǎng)入，以致出現(xiàn)界面間隙而引起松動(dòng)。本研究結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)相比，60 mm 與 100 mm 延長(zhǎng)桿均在脛骨近端形成應(yīng)力遮擋，100 mm 延長(zhǎng)桿形成的應(yīng)力遮擋范圍更大，最大達(dá) 76%，60 mm 延長(zhǎng)桿形成的應(yīng)力遮擋范圍較小遮擋率也較低。李峰等[28]對(duì)40 mm 及 75 mm 兩種長(zhǎng)度假體柄對(duì)脛骨應(yīng)力遮擋進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為長(zhǎng)柄假體在脛骨近端造成了較大的應(yīng)力遮擋，最大達(dá) 94.4%，其結(jié)論是長(zhǎng)柄假體的應(yīng)力遮擋效應(yīng)更大。故在使用長(zhǎng)延長(zhǎng)桿時(shí)，脛骨近端應(yīng)力遮擋較大，容易形成骨質(zhì)吸收，是術(shù)后復(fù)查重點(diǎn)觀察的部位。但是對(duì)于膝關(guān)節(jié)翻修的老年女性患者，皮質(zhì)骨缺損、骨質(zhì)疏松嚴(yán)重時(shí)，可使用長(zhǎng)的延長(zhǎng)桿，有助于從脛骨近端向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)應(yīng)力，分散皮質(zhì)骨及近端松質(zhì)骨受力，減小術(shù)后假體周?chē)钦郯l(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，脛骨平臺(tái)內(nèi)翻截骨會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)內(nèi)側(cè)應(yīng)力顯著增加，延長(zhǎng)桿可以起到分散近端脛骨應(yīng)力的作用，當(dāng)脛骨平臺(tái)后側(cè)骨缺損時(shí)，建議使用60 mm 延長(zhǎng)桿分散平臺(tái)應(yīng)力；當(dāng)脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)骨質(zhì)條件較差時(shí)，使用 100 mm 延長(zhǎng)桿才能起到分散應(yīng)力的作用；而對(duì)于前側(cè)及外側(cè)來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)桿的使用并沒(méi)有明顯應(yīng)力分散作用。相反，延長(zhǎng)桿過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)使脛骨中下段應(yīng)力集中，并對(duì)脛骨近端造成明顯應(yīng)力遮擋，容易造成脛骨近端骨溶解從而形成平臺(tái)塌陷；同時(shí)，延長(zhǎng)桿與骨皮質(zhì)接觸區(qū)域應(yīng)力增加會(huì)加大磨損并造成疼痛，甚至造成假體無(wú)菌性松動(dòng)。

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( 本文編輯：李貴存 )

Effects of tibial stem on tibiae stress distribution in high BMI patients received total knee arthroplasty

QIANG Shuo, GAO Zong-yan, XU Kui-xue, ZHANG Jian-peng, ZHENG Jia. Department of Orthopedics, People’s Hospital of Henan Province, Zhengzhou, Henan, 450000, China Corresponding author: ZHENG Jia, Email: zhengjia90180@sina.com

Objective Using finite element ( FE ) analysis to explore the influence of the tibial base plate with different length of stemming of total knee arthroplasty ( TKA ) in obese patients on the tibial stress distribution and variation of tibial plateau stress with varus plateau. Methods A healthy female volunteer was enrolled in the present study. First 3D FE models of the knee joint were reconstrusted on the basis of the spiral CT scans of the volunteer. Four FE models were constructed of the tibia plateau ( standard tibial base plate, tibial plate + 60 mm-long stem, tibial plate + 100 mm-long stem, standard tibial base plate with 5° varus ) to analyze the biomechanical variation in full-length tibia stress pattern. Results There were significant differences ( P ＜ 0.05 ) in tibia stress pattern between standard tibial base plate ( 42.3 MPa ) and tibia plateau with stem of 60 mm ( 66.3 MPa ) and 100 mm ( 67.2 MPa ). Using 60 mm stem to make the posterior stress of tibia plateau much lower than other groups, but there were no significant differences between 60 mm and 100 mm. In the model of 100 mm stem, the stress of medial tibia plateau was significantly lower than the standard tibial plate and 60mm stem ( P ＜ 0.01 ). There were no significant differences among these 3 different lengths of stems in the anterior and lateral tibia plateau. Stress of medial tibia plateau was much higher in 5°varus standard tibial base plate. Conclusions Tibia plateau vatus would increase medial stress of plateau, and using stem could transmit proximal stress to distal of tibia. The 60 mm stem is availiable for the posterior tibia bone defect, and can reduce the posterior stress. And 100 mm stem could lower the medial stress distribution of tibial plateau. Increasing the length of stem would not dismiss stress, on the contrary, long stem may cause significant stress shielding in the proximal tibia.

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.009

R687.4, R445

450000 鄭州，河南省人民醫(yī)院骨科 ( 強(qiáng)碩、高宗炎、鄭稼 )；102200 北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司( 許奎雪、張建鵬 )

鄭稼，Email: zhengjia90180@sina.com

2016-08-26 )