單髁置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力變化有限元分析

賈笛 李彥林 楊齡堅(jiān) 蒙旭晗 何川

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（云南昆明 650032）

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（unicompartmental knee arthro?plasty，UKA）因手術(shù)創(chuàng)傷小、保留正常骨量多、不破壞伸膝裝置及前交叉韌帶從而獲得更接近于正常膝的功能等優(yōu)勢(shì)，是許多醫(yī)生治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）的首選方案[1，2]。但許多學(xué)者對(duì)UKA的臨床療效致懷疑態(tài)度，認(rèn)為其術(shù)后過(guò)高的翻修率嚴(yán)重影響手術(shù)遠(yuǎn)期療效，不值得推薦。Dyrhovden等[3]對(duì)比研究UKA與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplas?ty，TKA）10年至20年生存率發(fā)現(xiàn)，UKA較TKA術(shù)后具有更高的翻修率，翻修主要原因?yàn)閷?duì)側(cè)間室OA進(jìn)行性加重；同時(shí)年齡低于65歲的患者經(jīng)歷UKA后翻修率升高，因此認(rèn)為從術(shù)后生存率角度來(lái)分析，UKA不如TKA。Jeon等[4]比較了UKA與脛骨高位截骨手術(shù)療效后發(fā)現(xiàn)，術(shù)后6月內(nèi)UKA臨床療效顯著高于脛骨截骨術(shù)，但術(shù)后12月至術(shù)后2年期間二者無(wú)明顯差異，而脛骨截骨術(shù)后下肢力線矯正優(yōu)于UKA，最終認(rèn)為，對(duì)于年輕患者而言，脛骨高位截骨術(shù)優(yōu)于UKA。

UKA臨床療效存在爭(zhēng)議，且多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其遠(yuǎn)期療效不佳，而長(zhǎng)期的臨床隨訪過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間及成本較大，且可能受患者主觀因素影響。本研究使用三維有限元分析方法研究UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)與正常膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)面應(yīng)力的變化及差異，同時(shí)與項(xiàng)目組前期對(duì)TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)假體界面應(yīng)力變化研究結(jié)果進(jìn)行比較分析，探討UKA的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，并尋找可能影響UKA術(shù)后遠(yuǎn)期療效的力學(xué)方面原因，為治療膝關(guān)節(jié)OA選擇合理的術(shù)式提供依據(jù)。

1 臨床資料

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)選取6名在昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院就診的老年女性膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎患者（平均年齡64.5±4.04歲，平均身高157.67±1.63 cm，平均體重59.17±1.72 kg，其中3例為左膝，3例為右膝）及3名既往無(wú)膝關(guān)節(jié)疾患成年女性（平均年齡34.67±1.53歲，平均身高161.0±1.73 cm，體重57.33±2.08 kg）為研究對(duì)象，對(duì)3名正常人進(jìn)行雙膝關(guān)節(jié)MRI及雙下肢CT掃描；對(duì)6名膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室OA患者進(jìn)行術(shù)前患膝MRI掃描及術(shù)后下肢CT掃描。

牛津第三代活動(dòng)平臺(tái)型假體（美國(guó)邦美商貿(mào)有限公司），所有患者術(shù)中使用假體皆為小號(hào)股骨假體、小號(hào)4 mm活動(dòng)型聚乙烯襯墊及AA脛骨底座（分左右）。

1.2 研究工具

128排雙源螺旋CT（SIEMENS，德國(guó)），G1.5T超導(dǎo)型磁共振（General Electric Company，美國(guó)），3DSS ST?DLED III型激光掃描儀（上海數(shù)造機(jī)電科技有限公司），Mimics 17.0圖像分割處理軟件，Geomagic Studio 12逆向工程軟件，Abaqus 6.10有限元分析軟件。

1.3 研究方法

MRI及CT二維影像掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式保存并導(dǎo)入Mimics17.0軟件中，使用閾值分割及區(qū)域增長(zhǎng)描繪并提取出膝關(guān)節(jié)主要骨性結(jié)構(gòu)及軟組織結(jié)構(gòu)，并按照解剖標(biāo)志進(jìn)行配準(zhǔn)，得到同一人既包含骨性結(jié)構(gòu)又包含軟組織結(jié)構(gòu)的下肢三維模型（圖1）。對(duì)UKA術(shù)中患者使用的假體進(jìn)行三維激光掃描，使用Geomagic Studio 12軟件建立假體三維模型（圖2），在Mimics17.0軟件中使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)將假體安裝到膝關(guān)節(jié)相應(yīng)位置[6]，使用Abaqus 6.10對(duì)膝關(guān)節(jié)各內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置材料屬性，施加邊界條件及網(wǎng)格劃分處理，對(duì)膝關(guān)節(jié)施加400N方向沿股四頭肌向上的力量模擬股四頭肌拉力，施加300N方向沿股四頭肌向下的力量模擬身體重力[5]，模擬膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)屈曲0至120°，為方便描述，提取0°、30°、60°、90°、120°對(duì)膝關(guān)節(jié)表面應(yīng)力大小進(jìn)行分析。

圖1 下肢三維模型

圖2 單髁假體三維模型

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以單因素方差分析比較膝關(guān)節(jié)屈曲角度對(duì)關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力是否有影響，使用LSD-t檢驗(yàn)比較分析正常組與UKA組及TKA組關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力是否有差異，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 正常膝、UKA及TKA術(shù)后膝不同屈曲角度下關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力值

本研究使用Von Mise應(yīng)力作為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)面受外力水平的指標(biāo)，它表示材料的屈服準(zhǔn)則，即物體產(chǎn)生屈服變化所需要的應(yīng)力，我們使用其最大值即最大等效應(yīng)力來(lái)描述膝關(guān)節(jié)內(nèi)部材料受到的應(yīng)力大小[7，8]（圖3、圖4、圖5）。試驗(yàn)結(jié)果與既往文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9，10]比較，結(jié)果具有一致性，證明模型有效。TKA術(shù)后內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)面最大有效應(yīng)力值數(shù)據(jù)選自本項(xiàng)目組前期的研究結(jié)果[11，12]，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，探討不同術(shù)式對(duì)聚乙烯襯墊的磨損影響。不同屈曲角度下三組膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室最大等效應(yīng)力值見(jiàn)表1、表2、表3。

統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果顯示：三組膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力隨屈曲度數(shù)加深，脛股關(guān)節(jié)表面應(yīng)力大體呈上升趨勢(shì)，其中正常組內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力于屈曲60°時(shí)達(dá)最大，外側(cè)間室于屈曲90°時(shí)達(dá)最大，屈曲30°以后，內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力大于外側(cè)間室有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；UKA術(shù)后組內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力于屈曲90°時(shí)達(dá)最大，外側(cè)間室應(yīng)力于屈曲120°時(shí)達(dá)最大，除屈曲30°及120°下內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，其余屈曲角度內(nèi)，側(cè)間室應(yīng)力大于外側(cè)間室均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；TKA術(shù)后組內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力于屈曲120°時(shí)達(dá)最大，外側(cè)間室應(yīng)力于屈曲30°時(shí)達(dá)最大，所有屈曲角度下內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力都大于外側(cè)間室，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

屈曲0°、30°、120°時(shí)三組實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力兩兩比較均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），屈曲60°、90°時(shí)，UKA術(shù)后組內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力大于TKA術(shù)后組有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）；所有屈曲角度下，UKA術(shù)后組外側(cè)間室應(yīng)力都大于TKA術(shù)后膝組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；屈曲0°、30°、60°及120°時(shí)，UKA術(shù)后組外側(cè)間室應(yīng)力都大于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖3 正常膝關(guān)節(jié)不同屈膝角度下脛骨內(nèi)外側(cè)表面應(yīng)力分布

圖4 UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下聚乙烯襯墊表面應(yīng)力分布

圖5 UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下脛骨外側(cè)表面應(yīng)力分布

表1 三組膝關(guān)節(jié)脛股關(guān)節(jié)接觸面最大等效應(yīng)力（±s，Mpa）

表1 三組膝關(guān)節(jié)脛股關(guān)節(jié)接觸面最大等效應(yīng)力（±s，Mpa）

屈曲度數(shù)（°）0 30 60 90 120正常組（n=6）內(nèi)側(cè)間室6.44±0.61 12.29±0.27 24.1±0.07 15.36±0.08 17.12±1.48外側(cè)間室8.32±0.38 3.91±0.4 1.6±0.6 11.68±1.13 10.79±1.87 UKA術(shù)后組（n=6）內(nèi)側(cè)襯墊8.23±4.14 12.12±4.06 15.78±2.93 19.57±2.34 19.41±2.26外側(cè)間室15.76±0.31 15.44±0.23 23.43±0.82 10.84±0.21 20.89±0.3 TKA術(shù)后組（n=3）內(nèi)側(cè)襯墊8.40±1.02 10.43±0.69 11.09±0.97 12.87±0.78 18.85±0.76外側(cè)襯墊5.58±0.56 8.05±0.09 6.15±0.78 0.02±0.01 0

表2 三組膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室統(tǒng)計(jì)值

表3 不同組間統(tǒng)計(jì)值

3 討論

3.1 膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正常膝屈曲過(guò)程中脛骨平臺(tái)表面應(yīng)力隨屈膝度數(shù)加深而增加，并主要集中于內(nèi)側(cè)表面。該結(jié)果符合黃振宇等[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即正常膝關(guān)節(jié)中，隨著屈曲度數(shù)加深，內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力逐漸增加，并超過(guò)外側(cè)間室，隨著膝關(guān)節(jié)OA的進(jìn)展，內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力不斷集中加強(qiáng)，外側(cè)間室應(yīng)力則無(wú)顯著變化。對(duì)于UKA及TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)，隨著屈曲度數(shù)加深，接觸應(yīng)力基本呈上升趨勢(shì)，且內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力幾乎都大于外側(cè)間室。該趨勢(shì)與既往研究結(jié)果相似[14-17]，而兩種術(shù)后膝關(guān)節(jié)都在屈曲角度較大時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力高峰，分別集中于UKA術(shù)后膝的襯墊的中后部及TKA術(shù)后膝的襯墊內(nèi)側(cè)后方，提示高屈曲角度下，假體應(yīng)力集中，易發(fā)生磨損，且磨損位置多集中于內(nèi)側(cè)襯墊后方。

本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)UKA組內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力幾乎都高于TKA組，屈曲60°及90°為我們生活中膝關(guān)節(jié)和活動(dòng)較常使用的屈曲角度，UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)在該角度下反復(fù)活動(dòng)，將加速襯墊的磨損；而幾乎所有屈曲角度下UKA組外側(cè)間室應(yīng)力都顯著高于TKA組及正常組，提示UKA術(shù)后外側(cè)間室較TKA更容易出現(xiàn)磨損，也進(jìn)一步證明UKA術(shù)后可能加速未置換間室OA發(fā)展。

單髁假體磨損較全膝假體更容易發(fā)生，一方面與假體的設(shè)計(jì)有關(guān)：?jiǎn)西良袤w的金屬股骨假體與聚乙烯襯墊的接觸面及金屬脛骨底座與聚乙烯襯墊接觸面較全膝假體接觸面積小，接觸面積與接觸應(yīng)力呈反比關(guān)系，全膝假體間更大的接觸面較容易分散垂直應(yīng)力，減少局部應(yīng)力集中，可有效減少假體磨損[18、19]；另一方面UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室所受應(yīng)力與置換側(cè)選擇的襯墊厚度及假體放置位置有關(guān)。Zhu等[20]使用有限元分析方法模擬脛骨底座不同位置放置，發(fā)現(xiàn)內(nèi)翻超過(guò)4°時(shí)，將增加對(duì)側(cè)間室應(yīng)力；而超過(guò)外翻4°放置，將顯著增加置換側(cè)間室的應(yīng)力，因此認(rèn)為假體的正確放置，是延長(zhǎng)假體使用壽命及提高UKA臨床療效的重要因素。再加上許多醫(yī)生進(jìn)行UKA時(shí)常為了保留更多骨質(zhì)，而犧牲聚乙烯襯墊的厚度，使用較薄的襯墊，以及骨組織與聚乙烯碎屑對(duì)關(guān)節(jié)面形成的第三體磨損效應(yīng)[19、21]都將使得襯墊更早、更容易出現(xiàn)磨損。以上原因可能都是導(dǎo)致UKA術(shù)后假體磨損較快、翻修率高于TKA的原因。

3.2 UKA術(shù)后對(duì)側(cè)間室進(jìn)展性O(shè)A力學(xué)分析

本研究對(duì)三組膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室應(yīng)力比較后，發(fā)現(xiàn)幾乎在所有屈曲角度下UKA組外側(cè)間室應(yīng)力都大于正常組及TKA組，說(shuō)明UKA可能加速未置換間室OA的發(fā)展。我們認(rèn)為UKA術(shù)后外側(cè)間室應(yīng)力集中的原因在于UKA只置換內(nèi)側(cè)間室，一旦假體位置或截骨后力線不正，將直接影響脛股關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力分布，造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，若應(yīng)力集中于外側(cè)間室，將引起或加重外側(cè)間室OA。這與Zhu等[20]結(jié)論一致，他們認(rèn)為脛骨元件超過(guò)4°內(nèi)翻放置可加速外側(cè)間室OA。Kim等[7]認(rèn)為UKA術(shù)中下肢力線矯正過(guò)度（外翻力線超過(guò)180°）、MCL損傷或膝關(guān)節(jié)OA進(jìn)展可導(dǎo)致該并發(fā)癥。而反觀TKA，該術(shù)式對(duì)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室統(tǒng)一置換，假體接觸面積更大，應(yīng)力相對(duì)容易分散，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

因此，UKA治療膝關(guān)節(jié)OA盡管有創(chuàng)傷小、保留正常組織功能多、術(shù)后恢復(fù)快等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但一定要在適應(yīng)癥范圍內(nèi)選擇該術(shù)式。從本試驗(yàn)研究得出的結(jié)論看，UKA術(shù)后假體界面應(yīng)力高、未置換間室OA進(jìn)行性發(fā)展等影響術(shù)后遠(yuǎn)期療效的問(wèn)題不容小視?；谠囼?yàn)結(jié)果，我們對(duì)術(shù)者手術(shù)操作及患者術(shù)后生活進(jìn)行以下建議：脛骨元件放置內(nèi)外翻均不超過(guò)4°[20]，在不違背手術(shù)原則及不影響關(guān)節(jié)面滑動(dòng)的前提下盡可能使用較厚的聚乙烯襯墊；假體設(shè)計(jì)在不犧牲活動(dòng)性的前提下盡可能增加假體間接觸面積。患者應(yīng)盡量避免膝關(guān)節(jié)高屈曲范圍的活動(dòng)，如爬坡、爬樓、爬山及深蹲，并注意選用坐便器如廁[22，23]；嚴(yán)格控制體重，最好將BMI值控制在小于24.99范圍內(nèi)[24]，以減少過(guò)高的垂直應(yīng)力對(duì)假體的磨損。在嚴(yán)格把握手術(shù)適應(yīng)征、優(yōu)化手術(shù)操作、優(yōu)化假體設(shè)計(jì)及指導(dǎo)患者合理鍛煉后，UKA在治療膝關(guān)節(jié)OA方面仍然具有優(yōu)勢(shì)。