杜明明 張寬 曾紀(jì)洲 閆松華

0 引言

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)是治療各類晚期膝關(guān)節(jié)疾病的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)之一[1]?；颊咝g(shù)后膝關(guān)節(jié)疼痛得到緩解，生活質(zhì)量提高，但研究顯示，仍有20%的患者對(duì)手術(shù)效果不滿意，主要原因是膝關(guān)節(jié)功能未能恢復(fù)正常水平[2]。在影響關(guān)節(jié)功能恢復(fù)的眾多因素中，以假體植入位置的選擇影響最大。術(shù)中脛骨平臺(tái)截骨后傾角(posterior tibial slope,PTS)是術(shù)中截骨和假體植入的重要參數(shù)之一，直接決定下肢力線及關(guān)節(jié)處力的傳導(dǎo)方式，截骨不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致力線恢復(fù)不良、屈伸間隙失衡和假體松動(dòng)，影響膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)[3]。

盡管不同的PTS會(huì)給膝關(guān)節(jié)功能帶來(lái)不同的影響，但目前學(xué)者和臨床醫(yī)生對(duì)于什么是最佳截骨角度仍有較大分歧。Dai等[4]發(fā)現(xiàn)PTS的變化可改變屈曲過(guò)程中股骨組件與脛骨組件之間的相對(duì)位移，但其影響的程度卻因人而異。Pourzal等[5]指出術(shù)后聚乙烯襯墊磨損的概率隨著PTS的增加而增加，并且較大的PTS會(huì)增加周圍骨溶解的可能性。黃永寶等[6]研究發(fā)現(xiàn)術(shù)中PTS的角度與術(shù)后膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度呈正相關(guān)。齊勇等[7]利用三維有限元模型分析得出PTS越大，術(shù)后效果越差。肖瑜等[8]研究發(fā)現(xiàn)PTS的改變對(duì)術(shù)后膝關(guān)節(jié)最大伸直角度和膝關(guān)節(jié)評(píng)分(knee society score,KSS)無(wú)明顯影響。因此，目前對(duì)于不同PTS所產(chǎn)生的術(shù)后效果仍存在較大爭(zhēng)議，能否通過(guò)術(shù)前分析預(yù)測(cè)不同截骨角度的術(shù)后效果，探索并總結(jié)截骨規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

以往有關(guān)PTS的研究方面，主要集中在截骨角度與膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度[9]、股骨與脛骨平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[10]、關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力[11]等方面。PTS的變化還可能會(huì)影響術(shù)后關(guān)節(jié)假體周圍骨的應(yīng)力分布，但目前此方面的研究相對(duì)較少。假體周圍骨的應(yīng)力分布不僅可以直觀地顯示出力的傳導(dǎo)方向與作用，異常的應(yīng)力分布更是提示假體磨損、周圍骨質(zhì)溶解、無(wú)菌性松動(dòng)的重要指標(biāo)之一，對(duì)客觀和準(zhǔn)確地評(píng)估TKA的手術(shù)效果具有重要的指導(dǎo)意義。

因此本研究針對(duì)同一例膝骨關(guān)節(jié)炎患者，建立不同PTS全膝關(guān)節(jié)置換的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，分析聚乙烯襯墊、脛骨截骨面、脛骨干處的應(yīng)力大小及分布，探究不同截骨角度對(duì)膝關(guān)節(jié)脛股關(guān)節(jié)接觸力的影響規(guī)律，進(jìn)一步加深對(duì)TKA術(shù)中脛骨平臺(tái)截骨后傾角重要性的認(rèn)識(shí)，有助于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的完善，提高臨床效果。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取1例Kellgren-Lawrence分級(jí)為4級(jí)的膝骨關(guān)節(jié)炎患者(男性，60歲，身高170 cm，體質(zhì)量60 kg)，術(shù)前測(cè)量髖-膝-踝角為174.5°，無(wú)其他下肢關(guān)節(jié)疾病及外傷史，測(cè)試前告知志愿者檢查的內(nèi)容及注意事項(xiàng)，簽訂知情同意書(shū)。對(duì)患者下肢進(jìn)行CT掃描(Somatom Sensation Cardiac 64，西門(mén)子公司，德國(guó))和MRI掃描(United Imaging uMR770，聯(lián)影公司，中國(guó))，掃描范圍從髖關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)，掃描的層厚和層距均為1 mm。

1.2 膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立

本實(shí)驗(yàn)中膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立與開(kāi)發(fā)過(guò)程均基于先前已被發(fā)表的基礎(chǔ)研究[12]。

1.2.1 術(shù)前膝關(guān)節(jié)三維模型的建立

將患者下肢的CT 圖像導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)Mimics 20.0 ( Materialise 公司，比利時(shí)) 中，通過(guò)軟件系統(tǒng)中的閾值設(shè)定、區(qū)域增長(zhǎng)、圖像分割、自動(dòng)提取等功能重建患者下肢骨的三維模型，骨性結(jié)構(gòu)包括股骨、脛骨、腓骨。

將Mimics中所建立的三維模型導(dǎo)入Rapidform XOR3(Rapidform 公司，韓國(guó))進(jìn)行模型表面降噪處理和實(shí)體轉(zhuǎn)化。運(yùn)用布爾運(yùn)算，減除各結(jié)構(gòu)重建過(guò)程中產(chǎn)生的重疊和冗余，確保重建的各組織之間的貼合關(guān)系，即完成膝關(guān)節(jié)術(shù)前的三維模型重建。

1.2.2 術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型的建立

本研究中使用的膝關(guān)節(jié)假體為后穩(wěn)定型假體，術(shù)中需要切除前、后交叉韌帶。假體模型由其生產(chǎn)廠家(XM，北京春立正達(dá)醫(yī)療器械股份有限公司)提供。根據(jù)下肢骨的術(shù)前模型，在Rapidform軟件中分別確定股骨力線(連接股骨頭中心至膝關(guān)節(jié)中心)和脛骨力線(連接膝關(guān)節(jié)中心至踝關(guān)節(jié)中心)作為假體定位參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)TKA手術(shù)操作要求以及手術(shù)醫(yī)生的指導(dǎo)建議，完成膝關(guān)節(jié)模型的虛擬截骨與模擬置換(圖1)，分別建立后傾截骨角度為0°、3°、6°、9°的膝關(guān)節(jié)三維模型(圖2)。

圖1 模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)

圖2 脛骨平臺(tái)不同截骨后傾角度

1.2.3 約束設(shè)置

根據(jù)膝關(guān)節(jié)的真實(shí)結(jié)構(gòu)模擬接觸設(shè)置：脛骨假體與聚乙烯襯墊通過(guò)鎖定機(jī)制固定，脛骨假體與脛骨、股骨遠(yuǎn)端與股骨假體之間骨水泥固定，均不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，故設(shè)置為綁定約束，在分析過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和變形。

1.2.4 材料屬性

為了方便分析接觸應(yīng)力，所有材料均設(shè)置為連續(xù)、均勻、各項(xiàng)同性的彈性材料，楊氏模量和泊松比在表1中列出[13-17]，各組織部分如圖1中所示。

表1 材料屬性

股骨假體與聚乙烯襯墊之間的摩擦系數(shù)參考以往文獻(xiàn)，設(shè)置為0.04[18]。在法向接觸中，設(shè)置為“硬接觸”，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力大小不受限制；當(dāng)接觸間隙變?yōu)?時(shí)，即認(rèn)為兩個(gè)表面發(fā)生了接觸；當(dāng)接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，兩個(gè)接觸分離，并且去掉相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的接觸約束，可有效限制穿透現(xiàn)象的發(fā)生。

膝關(guān)節(jié)模型所需建立的韌帶包括內(nèi)側(cè)副韌帶和外側(cè)副韌帶。韌帶起始的解剖位置基于磁共振圖像確定。模型中內(nèi)側(cè)副韌帶為3條線連接，外側(cè)副韌帶為3條線連接，如圖3所示。

1.2.5 邊界與載荷

為了方便加載，在股骨近端和脛骨遠(yuǎn)端加了一個(gè)圓盤(pán)，如圖3所示，圓盤(pán)的直徑為50 mm，厚度為5 mm，將圓盤(pán)設(shè)置為離散剛體，即在模型計(jì)算過(guò)程中基本不會(huì)發(fā)生相對(duì)形變。在股骨近端的圓盤(pán)上表面中心建立參考點(diǎn)，將300 N豎直向下的軸向力(患者體重的一半)施加于參考點(diǎn)上(圖3)，為便于力的傳導(dǎo)，將力所作用的參考點(diǎn)與盤(pán)的上表面進(jìn)行耦合約束，保證力的作用下，股骨盤(pán)能夠傳導(dǎo)力并且產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。股骨近端固定，僅允許其在豎直方向(Z方向)相對(duì)脛骨平移，同時(shí)允許脛骨相對(duì)股骨在3個(gè)軸向方向的旋轉(zhuǎn)。

圖3 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型

1.2.6 網(wǎng)格劃分

所有參與分析的部件均在Abaqus的Mesh模塊下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于邊界質(zhì)量不好(例如切割操作后邊緣產(chǎn)生尖角)的部件進(jìn)行倒角處理或者虛擬拓?fù)?，采用十?jié)點(diǎn)的修正四面體單元(C3D10M)進(jìn)行劃分，韌帶采用二節(jié)點(diǎn)的線性Truss單元(T3D2)，Truss單元所構(gòu)建韌帶的特點(diǎn)是只能承受拉力而不能承受壓力，即當(dāng)韌帶被拉緊時(shí)產(chǎn)生約束作用抵抗外力；反之，受壓時(shí)無(wú)作用力產(chǎn)生也無(wú)約束作用。

1.2.7 求解計(jì)算

在Abaqus的Job模塊下，提交分析作業(yè)，使用Standard求解器進(jìn)行求解。

2 結(jié)果

對(duì)于不同PTS的膝關(guān)節(jié)有限元模型進(jìn)行站立時(shí)的仿真計(jì)算，分別得到0°、3°、6°、9°后傾時(shí)，聚乙烯襯墊、脛骨截骨面及脛骨干處的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力。

2.1 聚乙烯襯墊的應(yīng)力分析

隨著PTS的增加，聚乙烯襯墊內(nèi)外側(cè)間室的接觸應(yīng)力峰值也隨之增加(圖4)：聚乙烯襯墊的內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力峰值從0°時(shí)的4.51 MPa增加到9°時(shí)的6.13 MPa；外側(cè)接觸應(yīng)力峰值從3.57 MPa增加到6.02 MPa(表2)。但PTS的改變對(duì)于聚乙烯襯墊內(nèi)外側(cè)間室接觸合力的百分比沒(méi)有顯著影響，從0°到9°聚乙烯襯墊內(nèi)側(cè)間室接觸合力的百分比始終介于53.39% ～ 59.21%之間(表2)。

表2 聚乙烯襯墊內(nèi)外側(cè)接觸合力百分比(%)及接觸應(yīng)力峰值(MPa)

圖4 聚乙烯襯墊應(yīng)力分布

2.2 脛骨截骨面處的應(yīng)力分析

隨著PTS的增加，脛骨截骨面處的接觸應(yīng)力峰值也隨之增加(圖5)。截骨面處的接觸應(yīng)力峰值從0°時(shí)的0.84 MPa(3°時(shí)為0.87 MPa、6°為1.01 MPa)增加到9°時(shí)的1.09 MPa。

圖5 脛骨截骨面應(yīng)力分布

2.3 脛骨干處的應(yīng)力分析

隨著PTS的增加，脛骨干處的應(yīng)力峰值也隨之增加(圖6)。脛骨干處的應(yīng)力峰值從0°時(shí)的1.97 MPa(3°時(shí)為2.21 MPa、6°為3.00 MPa)增加至9°時(shí)的3.23 MPa。

圖6 脛骨干應(yīng)力分布

3 討論

本研究針對(duì)同一例膝骨關(guān)節(jié)炎患者，建立了脛骨平臺(tái)不同截骨后傾角TKA術(shù)后的膝關(guān)節(jié)有限元模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，隨著PTS的增加，聚乙烯襯墊、脛骨截骨面以及脛骨干處的應(yīng)力峰值均有增加的趨勢(shì)。

TKA的目標(biāo)之一就是矯正下肢力線，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室的正常承重模式。計(jì)算結(jié)果顯示，脛骨平臺(tái)0°、3°、6°、9°后傾截骨角度的聚乙烯襯墊內(nèi)外側(cè)間室接觸合力的百分比并無(wú)明顯差異，說(shuō)明PTS的不同并不會(huì)影響冠狀位下肢力線的矯正和關(guān)節(jié)承重模式的恢復(fù)。

術(shù)后聚乙烯襯墊的磨損一直是引起TKA手術(shù)失敗及翻修的主要原因，盡管引起磨損的因素有很多[19]，例如不當(dāng)?shù)氖中g(shù)方案或假體植入等，但較高峰值應(yīng)力長(zhǎng)期反復(fù)作用于接觸區(qū)域，在一定程度上也會(huì)加劇襯墊的磨損。本研究的計(jì)算結(jié)果顯示，隨著PTS的增加，聚乙烯襯墊上的峰值接觸應(yīng)力也隨之增加，這說(shuō)明較大的PTS術(shù)后發(fā)生聚乙烯襯墊磨損的可能性高于較小的PTS。Pourzal等[5]分析了相關(guān)的臨床隨訪數(shù)據(jù)，結(jié)果表明后傾截骨角度的大小與襯墊磨損概率的大小存在明顯的正相關(guān)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推測(cè)相吻合。

近年來(lái)，很多學(xué)者不斷嘗試從多種角度來(lái)闡述術(shù)后假體周圍骨質(zhì)的溶解,以及該現(xiàn)象導(dǎo)致的假體無(wú)菌性松動(dòng)等問(wèn)題，假體與骨之間的應(yīng)力遮擋一直被認(rèn)為是該現(xiàn)象產(chǎn)生的重要力學(xué)原因。應(yīng)力遮擋是指當(dāng)2種及以上不同剛度的材料共同承擔(dān)載荷時(shí)，剛度較大的材料往往承載較多的力，而剛度較小的材料則承載較少的力。在TKA術(shù)后，由于假體的彈性模量高于骨骼，在假體與骨骼的交界部位，骨組織承載的部分應(yīng)力會(huì)被假體遮擋，假體承載了大部分應(yīng)力。而骨骼的載荷只有在生理載荷范圍內(nèi)，才能刺激成骨細(xì)胞發(fā)揮功能，促進(jìn)骨生成，否則會(huì)導(dǎo)致骨代謝的異常，引發(fā)骨溶解，進(jìn)而導(dǎo)致假體無(wú)菌性松動(dòng)[20]。本研究計(jì)算結(jié)果顯示，隨著后傾截骨角度的增加，脛骨截骨面處的峰值應(yīng)力不斷增加，但其增加的幅度較小(0°截骨時(shí)0.84 MPa，9°截骨時(shí)1.09 MPa)。故推測(cè)盡管PTS發(fā)生了改變，假體與骨的材料屬性并未發(fā)生變化，應(yīng)力遮擋的效應(yīng)并不會(huì)因?yàn)楹髢A截骨角度的變化而改善。

在未來(lái)十年中，TKA手術(shù)的數(shù)量預(yù)計(jì)將增加1倍以上[21]。盡管目前TKA遠(yuǎn)端脛骨干骨折并不常見(jiàn)，但隨著社會(huì)老齡化加劇，TKA需求量將會(huì)大幅上升，同時(shí)隨著技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步，假體預(yù)期壽命也不斷增加，因此假體周圍脛骨骨折的發(fā)病率可能也會(huì)增加[22]。盡管影響脛骨干骨折的因素有很多，例如假體類型的選擇、外周骨溶解、術(shù)后創(chuàng)傷等，而術(shù)中脛骨后傾截骨角度作為假體植入的重要參數(shù)之一，直接影響力的傳導(dǎo)，進(jìn)而影響脛骨干處力的分布。本研究計(jì)算結(jié)果顯示，隨著后傾截骨角度的增加，脛骨干處的峰值應(yīng)力不斷增加。應(yīng)力分布云圖顯示較大PTS的脛骨干處應(yīng)力值普遍高于較小PTS的應(yīng)力值，表明較高的后傾截骨角度會(huì)引起脛骨干處應(yīng)力的增加，而高應(yīng)力長(zhǎng)期作用的結(jié)果可能會(huì)增加脛骨干疲勞骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究?jī)H考慮了靜止站立時(shí)的聚乙烯襯墊、脛骨截骨面、脛骨干處的應(yīng)力分布，而并未對(duì)步行、上下樓梯等常見(jiàn)的日?；顒?dòng)加以分析。今后應(yīng)建立更完善的膝關(guān)節(jié)有限元模型，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和接觸力變化的結(jié)果進(jìn)行綜合分析。其次，本研究使用的是后穩(wěn)定型假體，脛骨平臺(tái)不同截骨角度所產(chǎn)生的不同力學(xué)參數(shù)變化僅代表著本實(shí)驗(yàn)中所用假體的術(shù)后效果，不一定可推及至其他類型的假體。

4 結(jié)論

本研究對(duì)同一例膝骨關(guān)節(jié)炎患者，分別建立了術(shù)前和脛骨平臺(tái)0°、3°、6°、9°后傾截骨角度TKA術(shù)后靜止站立的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。研究結(jié)果顯示，隨著PTS的增加，聚乙烯襯墊、脛骨截骨面及脛骨干處的應(yīng)力峰值均有明顯增加。PTS的增加沒(méi)有改善骨骼假體交界面的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，而隨之帶來(lái)的應(yīng)力峰值過(guò)大會(huì)增加假體磨損及松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，使得術(shù)后關(guān)節(jié)疼痛或假體翻修的可能性加大。術(shù)中PTS的選擇直接影響到術(shù)后的膝關(guān)節(jié)功能，多角度深入探究分析不同PTS的術(shù)后效果對(duì)輔助截骨角度設(shè)計(jì)與選擇十分重要，今后有待于開(kāi)展大量的相關(guān)研究，綜合探索最合理的脛骨平臺(tái)截骨后傾角。