全膝關(guān)節(jié)置換中脛骨假體旋轉(zhuǎn)對髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓影響的有限元分析

楊龍江,黃 浩,呂 奇,楊子肖,鐘 超,蔡東峰,洪 嵩

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 骨科,貴州 遵義 563099)

多年來,全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty,TKA)對于膝關(guān)節(jié)終末期病變的療效在國內(nèi)外都已得到普遍認(rèn)可［1-5],在適當(dāng)?shù)臈l件下,經(jīng)充分篩選過后的患者有望在將來行日間關(guān)節(jié)置換手術(shù)［6-7]。雖然全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已日臻成熟,然而術(shù)后脛骨假體旋轉(zhuǎn)對線不良對于手術(shù)預(yù)后尤其是髕股關(guān)節(jié)的影響卻尤為深遠(yuǎn)。其中較為常見的并發(fā)癥包括:膝前疼痛不適、髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡不良而引起膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、骨折、缺血性骨壞死以及髕骨撞擊、脫位等［8-9]。目前的研究發(fā)現(xiàn),脛骨假體旋轉(zhuǎn)對線不良是術(shù)后患者膝前疼痛和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力異常的一個(gè)重要潛在原因［10-11]。在TKA中,由于脛骨假體旋轉(zhuǎn)對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)接觸力的影響尚未完全明確,所以關(guān)于術(shù)中假體的最佳旋轉(zhuǎn)量仍具爭議［12-13]。因此,量化脛骨假體旋轉(zhuǎn)對髕股關(guān)節(jié)接觸壓的影響具有重大意義。我們通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算來獲取與實(shí)體情況相近的數(shù)據(jù)結(jié)果,構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字模型以模擬人體真實(shí)情況進(jìn)行研究［14-15]。Brekelmans等［16]于1972年首次提出有限元分析方法,為復(fù)雜的骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究提供了嶄新的思路。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,基于有限元方法的計(jì)算機(jī)模型分析已經(jīng)成為研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的一種有效且廣泛應(yīng)用的方法［17],可用于表征日?；顒?dòng)中體內(nèi)接觸壓力、面積等的變化［15, 18-19]。本研究的主要目的是了解脛骨假體的旋轉(zhuǎn)對線對髕股關(guān)節(jié)接觸壓力的影響,通過有限元分析方法,建立脛骨假體相對股骨假體在不同旋轉(zhuǎn)角度放置的TKA膝關(guān)節(jié)模型,并研究屈膝過程中髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓的變化情況。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 膝關(guān)節(jié)假體 實(shí)驗(yàn)選用北京愛康宜誠醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的A3高屈曲后穩(wěn)定型膝關(guān)節(jié)假體,包括脛骨平臺假體、聚乙烯墊片以及股骨髁假體。

1.1.2 主要設(shè)備 SIEMENS 128排雙源螺旋CT;GE 1.5T超導(dǎo)型磁共振機(jī);計(jì)算機(jī)配置:DELLT7600工作站;CPU:至強(qiáng)E5-2670雙核(16核32線程),2.6GHz;顯卡:麗臺Q2000顯卡(1G顯存);內(nèi)存:64GDDR3;硬盤:2T。

1.1.3 主要軟件 Mimics軟件,由MATERIALISE公司開發(fā)的一種醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng);工作原理:根據(jù)各組織成像的灰度值不同,將CT或MRI的掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建成初步的三維模型,并按照一定的格式導(dǎo)出,與有限元等相關(guān)軟件對接,方便下一步模型建立與分析。其他軟件包括Imageware、Geomagicstudio、Pro/E、Abaqus等。

1.2 實(shí)驗(yàn)對象 1名24歲男性志愿者,身高:170 cm,體重:60 kg,經(jīng)過遵義醫(yī)科大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批件號:KLLY-2019-066),志愿者對整個(gè)研究方案表示知情同意,并簽署了“知情同意書”,通過詢問病史、體格檢查后行雙側(cè)膝關(guān)節(jié)CT和MRI檢查,排除膝關(guān)節(jié)畸形、外傷、腫瘤等其他膝關(guān)節(jié)疾病。還通過志愿者的雙下肢全長X線攝片檢查,排除髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)畸形等病變。

1.3 方法

1.3.1 建立膝關(guān)節(jié)三維模型 (1)獲取影像學(xué)數(shù)據(jù):分別使用螺旋CT機(jī)、磁共振機(jī)對志愿者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描。體位為膝關(guān)節(jié)自然伸直位,掃描范圍以膝關(guān)節(jié)間隙為中心,向上下各掃描10 cm。CT圖像主要用于觀察骨組織,MRI圖像主要用于觀察軟骨及韌帶組織,層厚1.0 mm,并最終在imageware中得到三維實(shí)體模型。本實(shí)驗(yàn)選取志愿者右側(cè)膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)以構(gòu)建有限元模型。(2)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)的軟組織及骨組織模型:采用以下的技術(shù)路線完成骨組織的建模(圖1):首先將影像學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件,并提取出初步的骨組織模型,以STL文件格式導(dǎo)出。接下來在Imageware中進(jìn)行修補(bǔ)、降噪、順化及曲面化等處理后,導(dǎo)出STP格式,最后在Pro/E中組裝模型;韌帶、肌腱等軟組織的模型建立與骨組織建模的流程相同,最后將完整的骨組織與軟組織的三維模型整體以IGES格式導(dǎo)出,以便后續(xù)在Abaqus中進(jìn)行有限元網(wǎng)格處理。(3)膝關(guān)節(jié)假體的三維模型建立基本流程為通過激光掃描假體三維模型,獲取表面點(diǎn)云數(shù)據(jù),并導(dǎo)入Imageware進(jìn)行模型的修補(bǔ)、降噪、曲面化等處理,以便后續(xù)進(jìn)行假體的裝配(圖2)。

①M(fèi)IMICS軟件:對來自于影像學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)行簡單快捷的預(yù)處理,初步構(gòu)建目標(biāo)三維有限元模型;②Imageware軟件:具備強(qiáng)大點(diǎn)云處理、曲面編輯能力,能對MIMICS軟件來源的初級三維模型進(jìn)行曲面擬合及網(wǎng)格劃分等處理;③CAD三維模型:分三維實(shí)體、三維曲面、三維網(wǎng)格模型,以備進(jìn)行雕塑、褶皺和平滑等處理;④CAD三維模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入Pro/E軟件組裝,并對需要進(jìn)行處理的部分進(jìn)行三維層面的操作及數(shù)據(jù)分析。

A:股骨假體模型; B:聚乙烯墊片模型; C:脛骨假體模型。

1.3.2 建立TKA三維模型 在已建立的膝關(guān)節(jié)三維模型上模擬TKA,不保留前后交叉韌帶,髕骨未行表面置換術(shù),分別垂直于股骨和脛骨的機(jī)械軸進(jìn)行股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端截骨,截骨厚度為10 mm。再根據(jù)股骨橫斷面的前后徑以及脛骨截骨面的大小,選擇型號合適的膝關(guān)節(jié)假體。在植入假體時(shí),參照TKA手術(shù)原則,股骨假體以股骨后髁軸為旋轉(zhuǎn)的參考軸線,脛骨假體的旋轉(zhuǎn)參照Akagi線,將假體模型安裝在膝關(guān)節(jié)的三維模型上(圖3)。

A、 B:分別為正常膝關(guān)節(jié)三維模型正、后面觀; C:模擬TKA術(shù)后三維模型。

(1)脛骨假體旋轉(zhuǎn):在安裝過程中,股骨假體參照后髁軸外旋3°安裝,且股骨假體的位置保持不變。以Akagi線為脛骨假體的旋轉(zhuǎn)中立位,分別將脛骨假體外旋5°、10°及內(nèi)旋5°、10°安裝,得到4組三維模型(圖4),本研究定義假體外旋為正值,內(nèi)旋為負(fù)值。

圖4 構(gòu)建脛骨假體旋轉(zhuǎn)模型

(2)建立有限元計(jì)算網(wǎng)格模型: Abaqus軟件能夠自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,生成形狀、特性較好的元素,對于精度要求高的區(qū)域會(huì)自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度,保證網(wǎng)格的高質(zhì)量。通過Abaqus的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能,能夠很好地在模型上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。本研究利用Abaqus對膝關(guān)節(jié)采用高階4面體10節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格模型(圖5)。

A:正面觀; B:后面觀。

1.4 材料參數(shù)以及載荷工況 (1)材料參數(shù):目前關(guān)于生物力學(xué)的有限元仿真分析通常是建立在均質(zhì)連續(xù)、各向同性的線彈性體的假設(shè)前提下。骨組織屬于各向同性、均質(zhì)彈性的材料模型,而韌帶等屬于非線性超彈性材料模型,在軟件中對骨組織、韌帶、假體等材料進(jìn)行參數(shù)賦值。(2)載荷工況:實(shí)驗(yàn)在股四頭肌上加載一平行于股骨干、指向于股四頭肌起點(diǎn)、大小為400 N的拉力。同時(shí)在股骨上方沿膝關(guān)節(jié)力線加載300 N重力載荷,始終保持垂直向下,模擬自身體重一半的載荷。設(shè)定在脛骨、腓骨上不施加主動(dòng)運(yùn)動(dòng),而股骨、髕骨自由運(yùn)動(dòng),使膝關(guān)節(jié)在0°到120°屈膝,模擬人體的下蹲動(dòng)作。在屈膝載荷條件下,定義了可能接觸的表面接觸區(qū)域,接觸定義采用罰函數(shù)法。通過Abaqus等有限元軟件,在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,最后提取關(guān)注部位的單元或節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果并截圖,最后輸出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 屈膝條件下髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓實(shí)驗(yàn) 建立1組自然膝關(guān)節(jié)和4組TKA膝關(guān)節(jié)有限元模型,使膝關(guān)節(jié)模型從0°至120°屈曲,每次屈曲間隔30°。并通過計(jì)算提取得到各模型組在屈膝過程中的應(yīng)力分布云圖(圖6～11)。

從左至右依次為自然膝關(guān)節(jié)屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

從左至右依次為當(dāng)股骨假體外旋3°,脛骨假體參照Akagi軸0°放置時(shí)膝關(guān)節(jié)分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

從左至右依次為當(dāng)股骨假體外旋3°,脛骨假體參照Akagi軸外旋5°放置時(shí)膝關(guān)節(jié)分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

左至右依次為當(dāng)股骨假體外旋3°,脛骨假體參照Akagi軸內(nèi)旋5°放置時(shí)膝關(guān)節(jié)分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

從左至右依次為當(dāng)股骨假體外旋3°,脛骨假體參照Akagi軸外旋10°放置時(shí)膝關(guān)節(jié)分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

從左至右依次為當(dāng)股骨假體外旋3°,脛骨假體參照Akagi軸內(nèi)旋10°放置時(shí)膝關(guān)節(jié)分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°時(shí)髕股關(guān)節(jié)股骨側(cè)接觸應(yīng)力云圖,紅色表示應(yīng)力最為集中,深藍(lán)色則為無應(yīng)力接觸。

2.2 兩組在屈膝下的髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓比較 如表1所示,髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓隨著屈膝角度增大而升高,所有 TKA 膝關(guān)節(jié)模型組中髕股關(guān)節(jié)接觸壓均高于自然膝關(guān)節(jié)組。隨著脛骨假體內(nèi)旋或外旋度數(shù)增加,髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓也隨之升高。脛骨假體 0°旋轉(zhuǎn)組的髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓與自然膝關(guān)節(jié)組較為接近。脛骨假體外旋 5°組與內(nèi)旋 5°組的接觸壓接近,脛骨假體外旋 10°組與內(nèi)旋 10°組的接觸壓也較為接近。髕骨側(cè)的峰值接觸壓與股骨側(cè)的峰值接觸壓的變化趨勢基本一致。

表1 兩組在屈膝下的髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓(股骨側(cè)、髕骨側(cè),MPa)

3 討論

針對本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,我們建議術(shù)中應(yīng)盡可能根據(jù)Akagi線放置脛骨假體,并高度警惕脛骨假體的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)不良。另外還發(fā)現(xiàn),脛骨假體外旋5°組與內(nèi)旋5°組的髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓值較為接近,外旋10°組與內(nèi)旋10°組也較為接近。

對于TKA中脛骨假體旋轉(zhuǎn)對線的參考標(biāo)志尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),術(shù)中缺乏通用的解剖標(biāo)志以獲得準(zhǔn)確的脛骨假體旋轉(zhuǎn)位置［20],目前脛骨假體的擺放可參考:①脛骨相關(guān)解剖標(biāo)志如脛骨結(jié)節(jié)、脛骨后髁線、脛骨平臺后外側(cè)角、Akagi線、脛骨平臺截骨面等;②ROM技術(shù)(自我形合技術(shù));③計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù);④個(gè)性化截骨技術(shù)脛骨前皮質(zhì)等,目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為Akagi線較為可靠［20-21]。此次研究以Akagi線［20-23]為脛骨假體旋轉(zhuǎn)參考軸,探討脛骨假體旋轉(zhuǎn)對線對髕股關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響。Akagi線具有受解剖變異及關(guān)節(jié)畸形的影響較小、術(shù)中容易觀察等優(yōu)點(diǎn)［20]。參照Akagi線旋轉(zhuǎn)脛骨假體,可以使脛骨假體和股骨假體之間的旋轉(zhuǎn)更加匹配［22]。我們將脛骨假體外旋5°、10°以及內(nèi)旋5°、10°放置,建立相應(yīng)的膝關(guān)節(jié)模型組進(jìn)行生物力學(xué)分析。Steinbrück等［24]在一項(xiàng)尸體實(shí)驗(yàn)中,通過將脛骨假體參照脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)1/3旋轉(zhuǎn),發(fā)現(xiàn)脛骨假體外旋3°會(huì)降低髕股關(guān)節(jié)接觸壓值,而內(nèi)旋3°則會(huì)使髕股關(guān)節(jié)接觸壓值增大,但文章并未給出外旋3°是最佳位置的結(jié)論。

有研究指出,由于脛骨結(jié)節(jié)存在解剖變異可能,在膝內(nèi)翻畸形患者群體中,脛骨結(jié)節(jié)不是脛骨假體可靠的旋轉(zhuǎn)參考標(biāo)志［25];其次,即使外旋3°是脛骨假體的最佳位置,術(shù)中也難以將脛骨假體精確放置在外旋3°的旋轉(zhuǎn)位上。Bell等［26]研究了56例TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)疼痛原因不明患者的假體旋轉(zhuǎn)對線,并提出應(yīng)該將脛骨假體的內(nèi)旋失調(diào)控制在5.8°以內(nèi);Kim等［27]也認(rèn)為應(yīng)將脛骨假體旋轉(zhuǎn)對齊于2°～5°外旋位置上。因此,本實(shí)驗(yàn)以5°為增量研究髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力變化。股骨假體則外旋3°放置［28-39],前期研究已證實(shí)股骨假體外旋 3°組的髕股關(guān)節(jié)峰值接觸壓低于旋轉(zhuǎn) 0°組。通過計(jì)算分析脛骨假體在不同旋轉(zhuǎn)角度下放置時(shí),髕股關(guān)節(jié)接觸壓在屈膝過程中的變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,與脛骨假體0°旋轉(zhuǎn)組相比,5°旋轉(zhuǎn)失調(diào)就已經(jīng)導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)接觸壓的明顯增大;當(dāng)脛骨假體的旋轉(zhuǎn)度數(shù)繼續(xù)增加時(shí),髕股關(guān)節(jié)接觸壓隨之繼續(xù)升高。當(dāng)處于深屈曲位置時(shí)(90°及以上),髕股關(guān)節(jié)接觸壓升高則更為明顯。這可能是由于在深度屈曲的膝關(guān)節(jié)中,髕韌帶及周圍軟組織處于高度緊張狀態(tài),放大了假體旋轉(zhuǎn)不良對髕股關(guān)節(jié)接觸壓的影響。而此時(shí)應(yīng)該注意到由于膝關(guān)節(jié)周圍軟組織的高度緊張狀態(tài)可能引起的髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡不良等并發(fā)癥的發(fā)生。髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡不良是全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后潛在的手術(shù)并發(fā)癥［30],可導(dǎo)致髕骨脫位甚至是復(fù)發(fā)性髕骨脫位。髕骨脫位是全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后公認(rèn)的主要并發(fā)癥［31],術(shù)后髕骨脫位還可能由軟組織失衡、假體尺寸和位置不當(dāng)以及股骨和/或脛骨假體旋轉(zhuǎn)不良引起［32-33]。

在本次實(shí)驗(yàn)過程中,未觀察到髕骨半脫位與髕骨脫位等并發(fā)癥的發(fā)生,這可能與目前的假體設(shè)計(jì)及改良有關(guān)。此外,我們應(yīng)該尋求方法構(gòu)建更加真實(shí)的膝關(guān)節(jié)模型,包括肌肉活動(dòng)和實(shí)際體重以及踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)整體模型以模擬行走和上下樓梯等［34],以更加真實(shí)還原人體正常活動(dòng)的方式闡述膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后髕股關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化。目前,相關(guān)研究多涉及脛骨假體的內(nèi)旋,而關(guān)于脛骨假體外旋的研究相對較少,多數(shù)觀點(diǎn)支持脛骨假體的內(nèi)旋是膝前疼痛的重要危險(xiǎn)因素,我們的研究也顯示內(nèi)旋5°比外旋5°時(shí)髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力更大。當(dāng)然,脛骨假體的外旋失調(diào)對髕股關(guān)節(jié)接觸壓的影響也同等重要,術(shù)中也需要警惕脛骨假體的外旋。另外,本研究選擇建模對象為24歲男性健康志愿者,尚不能與中老年人特別是中老年女性膝關(guān)節(jié)置換者相比較,以上所提到的問題皆需進(jìn)一步研究以完善。