【作者】趙 峰，王 川，樊瑜波

北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100191

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中聚乙烯襯墊的磨損測(cè)評(píng)研究進(jìn)展

【作者】趙 峰，王 川，樊瑜波

北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100191

聚乙烯襯墊的磨損是全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)失效的主要原因，因此磨損的測(cè)量與評(píng)估是人工膝關(guān)節(jié)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。聚乙烯襯墊磨損的測(cè)評(píng)方法有很多，如目測(cè)觀察分級(jí)法等定性方法，可用于觀察和確定磨損的程度及類型；而重量分析法、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)以及micro-CT磨損測(cè)量等定量方法，可對(duì)質(zhì)量、體積磨損，以及磨損分布等進(jìn)行定量測(cè)評(píng)。該文介紹了聚乙烯襯墊磨損的主要測(cè)評(píng)技術(shù)的原理、特點(diǎn)及研究進(jìn)展，并分析了這些測(cè)評(píng)方法中存在的問題和不足。

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；聚乙烯襯墊；磨損測(cè)評(píng)； micro-CT

0 引言

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）是全球十分普遍的外科手術(shù)，2008年美國進(jìn)行了超過65萬例TKA，預(yù)計(jì)到2030年將到達(dá)375萬[1]。中國每年僅有不到2萬例的TKA，但是，隨著經(jīng)濟(jì)與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展，據(jù)中國膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率和人口推算，中國有龐大的潛在TKA人群[2]。由于人口老齡化和肥胖人群增加，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)生率也隨之增加。目前的人工膝關(guān)節(jié)使用壽命為10～15年，然而，進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換的患者越來越年輕，他們對(duì)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)有更長的壽命需求[3]。

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)失效的主要原因是無菌性松動(dòng)，而聚乙烯脛骨襯墊的磨損是造成無菌性松動(dòng)的最主要因素[4]。聚乙烯襯墊的磨損評(píng)估是人工膝關(guān)節(jié)研究的關(guān)鍵，對(duì)于膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)和材料改進(jìn)，磨損機(jī)理研究，磨損和壽命預(yù)測(cè)有重要意義。聚乙烯襯墊的磨損評(píng)估方法主要分為兩類，一類是定性評(píng)估方法，如目測(cè)觀察分級(jí)法、掃描電鏡檢測(cè)法（Scanning Electron microscopy，SEM）、超聲斷層掃描成像法（Scanning Acoustic Tomography，SAT），另一類是定量評(píng)估方法，如X射線立體照相測(cè)量技術(shù)（Roentgen Stereophotogrammatic Analysis， RSA）、重量分析法、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（Coordinate Measuring Machines， CMM）、micro-CT測(cè)量法等。

本文對(duì)以上聚乙烯襯墊磨損測(cè)評(píng)方法進(jìn)行了介紹，回顧了這些測(cè)評(píng)技術(shù)的原理、特點(diǎn)及研究進(jìn)展，分析了這些測(cè)評(píng)方法中存在的問題和不足，并展望了聚乙烯襯墊磨損測(cè)量的新趨勢(shì)。

1 定性磨損評(píng)估方法

目測(cè)觀察分級(jí)法是一種評(píng)估聚乙烯襯墊關(guān)節(jié)面的磨損類型、分布和程度的定性方法，作為評(píng)估表面磨損的有效方法被廣泛認(rèn)可。1983年，Hood等[5]第一次用目測(cè)觀察分級(jí)法評(píng)估了48個(gè)手術(shù)取回脛骨襯墊的磨損。掃描電鏡檢測(cè)法（SEM）用于檢測(cè)聚乙烯脛骨襯墊表面微磨損類型，同時(shí)也可以檢測(cè)由疲勞導(dǎo)致的表層下裂紋，但可能破壞一些微小的裂紋，對(duì)樣本造成損傷[6]。超聲斷層掃描成像法（SAT）是一種無損成像手段，可檢測(cè)襯墊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Ong和Saffari用SAT重建了取回襯墊的三維圖像，觀察了襯墊表層下裂紋，但由于SAT成像分辨率低（300 μm），并且不能檢測(cè)表面損傷，其實(shí)際應(yīng)用受到了限制[7]。

2 定量磨損評(píng)估方法

2.1 X射線立體照相測(cè)量技術(shù)（RSA）

RSA是一種雙平面X光測(cè)量技術(shù)，可以在體測(cè)量聚乙烯襯墊的線性磨損，在臨床上有十分重要的應(yīng)用。van IJsseldijk等[8]建立了基于三維模型的RSA線性磨損測(cè)量方法，在兩個(gè)平面同時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行X光掃描，提取股骨髁和脛骨平臺(tái)的輪廓，與CAD模型匹配，確定股骨髁和脛骨平臺(tái)的相對(duì)位置(如圖1)，并測(cè)量襯墊厚度。Collier等[9]用RSA隨訪測(cè)量了158例TKA的線性磨損，發(fā)現(xiàn)有骨性關(guān)節(jié)炎的患者的磨損量(內(nèi)側(cè)1.4 mm，外側(cè)0.7 mm)顯著高于內(nèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者(內(nèi)側(cè)0.7 mm，外側(cè)0.4 mm)，而襯墊的厚度與磨損量沒有關(guān)系。

圖 1 基于模型的X射線立體照相測(cè)量技術(shù)[8]Fig.1 A model-based RSA approach

RSA方法精度較差（±150 μm），只能測(cè)量較大的厚度變化，在體測(cè)量體積磨損的精密性和準(zhǔn)確性都較低[8]。該方法假設(shè)股骨髁相對(duì)于脛骨襯墊的最大穿透位移發(fā)生在完全伸膝展時(shí)，但實(shí)際并非如此。因此，有研究用準(zhǔn)靜態(tài)方法測(cè)量一系列屈伸角度下（比如間隔15o) 的線性穿透位移，并推測(cè)磨損體積或最小襯墊厚度[10]。但對(duì)于假體設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和對(duì)病人定位的敏感性仍沒有解決。

2.2 重量分析法

重量分析法由ISO 14243-2給出，通過測(cè)量聚乙烯襯墊磨損前后的質(zhì)量計(jì)算質(zhì)量磨損，也可以根據(jù)密度計(jì)算體積磨損[11]。為了消除襯墊吸收液體產(chǎn)生的質(zhì)量誤差，需要設(shè)置加載或空載下浸泡在相同潤滑液中的對(duì)照組。

重量分析法是聚乙烯襯墊磨損評(píng)估的金標(biāo)準(zhǔn)，因其優(yōu)越的精確性和準(zhǔn)確性而被廣泛認(rèn)可[12]。Utzschneider和Johnson分別進(jìn)行了6個(gè)和33個(gè)人工膝關(guān)節(jié)的磨損實(shí)驗(yàn)，通過重量分析法他們均發(fā)現(xiàn)活動(dòng)型和固定型襯墊的質(zhì)量磨損沒有顯著差異，高交聯(lián)聚乙烯襯墊比傳統(tǒng)襯墊磨損量低。Affatato和McEwen分別測(cè)量了6個(gè)磨損實(shí)驗(yàn)襯墊的質(zhì)量磨損，也發(fā)現(xiàn)活動(dòng)型和固定型對(duì)襯墊磨損沒有影響。Muratoglu比較了傳統(tǒng)聚乙烯和高交聯(lián)聚乙烯的抗分層和抗磨損能力，發(fā)現(xiàn)氧化會(huì)導(dǎo)致襯墊分層，卻增加了聚乙烯的交聯(lián)程度，提高了襯墊抗磨損能力。Schwiesau和Burton研究了運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)襯墊磨損的影響；Galvin和Lizhang研究了形合性和接觸應(yīng)力對(duì)襯墊磨損的影響。

2.3 CMM測(cè)量法

CMM是目前最常見的接觸式幾何測(cè)量手段之一。CMM測(cè)量法通過測(cè)量襯墊磨損前后的幾何形狀，從而獲得體積磨損、線性磨損以及磨損的表面分布和形態(tài)。

Muratoglu等[13]報(bào)道了一種用CMM測(cè)量聚乙烯襯墊磨損和蠕變的方法。其測(cè)量了3個(gè)磨損實(shí)驗(yàn)襯墊的線性磨損(內(nèi)側(cè)平臺(tái)43±4 μm、外側(cè)平臺(tái)170±8 μm)和體積磨損(8.3±0.9 mm3/106轉(zhuǎn))，并得到了三維磨損云圖(如圖2)。其體積磨損與重量分析法測(cè)量結(jié)果（8.5±1.6 mm3/106轉(zhuǎn)）具有良好的一致性。

圖2 聚乙烯脛骨襯墊線性磨損三維云圖[13]Fig.2 The linear penetration map of inserts

Bills等也比較了重量分析法和CMM測(cè)量的襯墊體積磨損，發(fā)現(xiàn)CMM可以彌補(bǔ)襯墊吸收液體帶來的誤差。Blunt等[12]將CMM在深度方向的測(cè)量精度提升到0.7 μm。Muratoglu等用CMM測(cè)量了3個(gè)高交聯(lián)聚乙烯襯墊的關(guān)節(jié)面磨損率(5±2 mm3/106轉(zhuǎn))，并結(jié)合重量分析法計(jì)算了襯墊背面磨損。Spinelli等[14]測(cè)量了6個(gè)單髁襯墊的線性磨損(0.19±0.02 mm/106轉(zhuǎn))和質(zhì)量磨損(0.86±0.15 mg/106轉(zhuǎn))，將CMM水平方向掃描精度提升到了300 μm。

2.4 micro-CT測(cè)量法

micro-CT是一種無損、高精度、非接觸式的成像技術(shù)，可以以10～100 μm的空間分辨率掃描組織、物體和小動(dòng)物，不僅能測(cè)量物體體積，還能提供詳細(xì)的幾何表面圖像。因此，micro-CT在植入物襯墊磨損評(píng)估中的應(yīng)用逐漸得到了關(guān)注，如椎間盤、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等。2005年，Bowden等[15]第一次將micro-CT引入到取回髖臼襯墊的磨損評(píng)估中。

Teeter[16]在2010年開發(fā)并驗(yàn)證了一種用micro-CT評(píng)估脛骨襯墊磨損的方法。用micro-CT分別在磨損實(shí)驗(yàn)前后掃描6個(gè)襯墊，重建襯墊三維模型，獲得襯墊整體體積（磨損前20 588±70 mm3，磨損后204 91±99 mm3）和表面偏差云圖。表面偏差云圖和三維模型觀察得到的磨損區(qū)域，與襯墊的實(shí)際磨損十分吻合（如圖3）。隨后，Teeter等[17]用micro-CT測(cè)量了6個(gè)脛骨襯墊的局部磨損體積。用micro-CT獲得襯墊表面偏差云圖后，選取感興趣的磨損區(qū)域計(jì)算磨損體積（內(nèi)側(cè)42.3±6.5 mm3，外側(cè)101.7±8.5 mm3）。這種局部磨損測(cè)量方法可以排除人為導(dǎo)致的非磨損面損傷，增強(qiáng)了micro-CT測(cè)量磨損的準(zhǔn)確性。2013年，Engh 等[18]應(yīng)用micro-CT方法評(píng)估了24個(gè)臨床取回聚乙烯襯墊的磨損體積（54±41 mm3/年）和磨損位置，并用數(shù)顯卡尺驗(yàn)證了micro-CT線性測(cè)量的準(zhǔn)確性，兩者具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖 3 襯墊關(guān)節(jié)面和背面的偏差云圖（mm）[16]Fig.3 Surface deviation map for bearing surfaces and backside

圖 4 聚乙烯脛骨襯墊表層下開裂[19]Fig.4 Subsurface cracks of the insert

表1 RSA、重量分析法、CMM、micro-CT對(duì)比Tab.1 The comparison of RSA, gravimetric analysis, CMM and micro-CT

Teeter[19]還用micro-CT方法重建了取回襯墊的表層下開裂和分層，并測(cè)量裂紋位置和長度，如圖4所示micro-CT磨損測(cè)量技術(shù)的研究將有助于對(duì)襯墊分層磨損機(jī)制和進(jìn)程的理解與分析，這是該方法相對(duì)于其它檢測(cè)方法所獨(dú)有的。

3 討論

聚乙烯襯墊磨損會(huì)引起膝關(guān)節(jié)假體的無菌性松動(dòng)，嚴(yán)重影響假體壽命。對(duì)聚乙烯襯墊磨損的評(píng)估有助于指導(dǎo)假體設(shè)計(jì)、襯墊材料改進(jìn)和研究磨損機(jī)制。定性觀察法因其獲得的磨損信息非常有限，已很少單獨(dú)使用。幾種定量測(cè)量法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其測(cè)量指標(biāo)、優(yōu)缺點(diǎn)、精度和誤差來源對(duì)比如表1所示。RSA能在體測(cè)量襯墊線性磨損，在臨床上有其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，但誤差較大，不能完全滿足臨床和研究的需求。重量分析法是公認(rèn)最精確的聚乙烯襯墊質(zhì)量磨損測(cè)量方法，但缺少對(duì)磨損分布的評(píng)估。另外，金屬磨屑嵌入襯墊和襯墊吸收液體可能會(huì)導(dǎo)致誤差，因此需要浸泡對(duì)照組來彌補(bǔ)液體吸收引入的誤差。CMM測(cè)量襯墊體積磨損準(zhǔn)確性較好（2.5%），并且不需要浸泡對(duì)照組[12]。CMM能獲得線性磨損分布云圖，在深度方向具有極好的測(cè)量精度（0.7 μm），但表面掃描分辨率只有300 μm[12,14]。Micro-CT能獲得全面的磨損信息，包括襯墊關(guān)節(jié)面和背面的線性磨損分布云圖，可以測(cè)量整體和局部的磨損體積，檢測(cè)表面磨損類型，并能無損檢測(cè)表層下磨損（表層下開裂或分層）。Micro-CT在水平方向的掃描分辨率（50 μm）比CMM高（300 μm），但在深度方向的測(cè)量精度（50 μm）不如CMM（0.7 μm），整體掃描精密度（0.07%）比CMM好（0.8%）[16]。

Micro-CT是一種較新和有較廣應(yīng)用前途的方法，目前還需要在如下幾方面提高。第一，測(cè)量襯墊體積準(zhǔn)確性與重量分析法相當(dāng)（0.04%），但測(cè)量襯墊磨損體積準(zhǔn)確性還不夠[16]。在Teeter等[16]的研究中，micro-CT相對(duì)于重量法的襯墊磨損體積測(cè)量誤差為6.2～9.2 mm3，而總的磨損體積在100 mm3左右，即相對(duì)誤差估計(jì)為5%～10%。第二，觀測(cè)者誤差對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性影響很大。第三，對(duì)于磨損體積的定義還存在不同看法。目前，許多脛骨襯墊磨損體積測(cè)量研究中沒有區(qū)分襯墊的真實(shí)磨損和變形，而是將它們一起作為磨損體積進(jìn)行測(cè)量。

總之，重量分析法是目前應(yīng)用最廣泛、精度最高的聚乙烯襯墊磨損評(píng)估方法。但該方法不能評(píng)估磨損分布和磨損類型，獲得的磨損信息相對(duì)較少，對(duì)于假體設(shè)計(jì)、材料改進(jìn)和研究磨損機(jī)制的指導(dǎo)十分有限。而micro-CT方法是一種有效、無損、全面的檢測(cè)手段，如果能進(jìn)一步提高測(cè)量精度，與重量分析法配合使用，在聚乙烯襯墊的磨損評(píng)估中有很好的應(yīng)用前景。

[1] Kurtz S, Ong K, Lau E, et al. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030[J]. J Bone Joint Surg, 2007, 89(4): 780-785.

[2] 沈彬, 裴福興. 膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎診治進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué), 2013, 39(5): 390-394.

[3] Kurtz SM, Lau E, Ong K, et al. Future young patient demand for primary and revision joint replacement: national projections from 2010 to 2030[J]. Clin Orthopaedics Relat Res, 2009, 467(10): 2606-2612.

[4] Naudie DDR, Ammeen DJ, Engh GA, et al. Wear and osteolysis around total knee arthroplasty[J]. J Am Acad Orthopaedic Surgeons, 2007, 15(1): 53-64.

[5] Hood RW, Wright TM, Burstein AH. Retrieval analysis of total knee prostheses: a method and its application to 48 total condylar prostheses[J]. J Biomed Mater Res, 1983, 17(5): 829-842.

[6] Oral E, Christensen SD, Malhi AS, et al. Wear resistance and mechanical properties of highly cross-linked, ultrahigh–molecular weight polyethylene doped with vitamin E[J]. J Arthroplasty, 2006, 21(4): 580-591.

[7] Ong CS, Saffari N. Ultrasonic evaluation of ultra-high molecular weight polyethylene used in medical prostheses[J]. Proc Institut Mechan Eng, Part H: J Eng Med, 1998, 212(1): 65-69.

[8] van IJsseldijk EA, Valstar ER, Stoel BC, et al. A model-based approach to measure the minimum joint space width of total knee replacements in standard radiographs[J]. J Biomechanics, 2012, 45(12): 2171-2175.

[9] Collier MB, EnghJr CA, Hatten K M, et al. Radiographic assessment of the thickness lost from polyethylene tibial inserts that had been sterilized differently[J]. J Bone Joint Surg, 2008, 90(7): 1543-1552.

[10] Gill HS, Waite JC, Short A, et al. In vivo measurement of volumetric wear of a total knee replacement[J]. Knee, 2006, 13(4): 312-317.

[11] ISO 14243-2, 2009. Implants for surgery—wear of total knee joint prostheses. Part 2: Methods of measurement[S].

[12] Blunt LA, Bills PJ, Jiang XQ, et al. Improvement in the assessment of wear of total knee replacements using coordinate-measuring machine techniques[J]. Proc Institut Mechan Eng, Part H: J Eng Med, 2008, 222(3): 309-318.

[13] Muratoglu OK, Perinchief RS, Bragdon CR, et al. Metrology to quantify wear and creep of polyethylene tibial knee inserts[J]. Clin Orthopaedics Relat Res, 2003, 410: 155-164.

[14] Spinelli M, Carmignato S, Affatato S, et al. CMM–based procedure for polyethylene non-congruous unicompartmental knee prosthesis wear assessment[J]. Wear, 2009, 267(5): 753-756.

[15] Bowden AE, Kurtz SM, Edidin AA. Validation of a micro‐CT technique for measuring volumetric wear in retrieved acetabular liners[J]. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 2005, 75(1): 205-209.

[16] Naudie DDR, MacDonald SJ. In vitro quantification of wear in tibial inserts using microcomputed tomography[J]. Clin Orthopaedics Relat Res, 2011, 469(1): 107-112.

[17] Teeter MG, Milner JS, Au JL, et al. Regional measurements of surface deviation volume in worn polyethylene joint replacement components[J]. J Long-Term Effects Med Implants, 2010, 20(1): 49-56.

[18] Engh Jr CA, Zimmerman RL, Engh GA. Can microcomputed tomography measure retrieved polyethylene wear? comparing fixed-bearing and rotating-platform knees[J]. Clin Orthopaedics Relat Res, 2013, 471(1): 86-93.

[19] Teeter M G, Yuan X, Naudie D D R, et al. Technique to quantify subsurface cracks in retrieved polyethylene components using micro-CT[J]. J Long-Term Effects Med Implants, 2010, 20(1): 27-34.

Research Progress of Polyethylene Inserts Wear Measurement and Evaluation in Total Knee Arthroplasty

【W(wǎng)riters】ZHAO Feng, WANG Chuan, FAN Yubo

Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of the Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, 100191

Wear of polyethylene (PE) tibial inserts is a significant cause of implant failure of total knee arthroplasty (TKA). PE inserts wear measurement and evaluation is the key in TKA researches. There are many methods to measure insert wear. Qualitative methods such as observation are used to determine the wear and its type. Quantitative methods such as gravimetric analysis, coordinate measuring machines (CMM) and micro-computed tomography (micro-CT) are used to measure the mass, volume and geometry of wear. In this paper, the principle, characteristics and research progress of main insert wear evaluation method were introduced and the problems and disadvantages were analyzed.

total knee arthroplasty, polyethylene inserts, wear measurement and evaluation, micro-CT

R197.3

A

1671-7104(2015)01-0033-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.009

2014-08-04

國家科技支撐計(jì)劃（2012BAI22B02）；國家自然科學(xué)基金（11072021，31200725）通信作者：樊瑜波，E-mail: yubofan@buaa.edu.cn