任鵬鵬，張啟棟

（1.蘇州市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院骨傷一科，江蘇 蘇州 215000；2.中日友好醫(yī)院骨科，北京 100029）

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（unicompartmental knee ar?throplasty,UKA）是治療晚期單間室膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）的有效手段，通過對病變間室進(jìn)行表面置換，可以有效緩解疼痛、改善功能，具有創(chuàng)傷小、康復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，大量的中長期隨訪結(jié)果顯示療效滿意［1～4］。隨著假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)、微創(chuàng)手術(shù)器械的開發(fā)、手術(shù)技術(shù)的提高及患者選擇更加合理，臨床效果更好，在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展［5］。正常膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)屬于多半徑關(guān)節(jié)，UKA假體設(shè)計(jì)為單半徑假體，在一定程度上改變了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)［6］。本文將從尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析及其他研究方法等方面綜述膝關(guān)節(jié)牛津活動平臺內(nèi)側(cè)單髁置換術(shù)后生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀。

1 尸體研究

尸體研究是一種應(yīng)用廣泛的體外研究方法，可有效模擬活體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動，也可進(jìn)行人體體內(nèi)研究所禁止的有創(chuàng)操作。在尸體研究中，可以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)淺層內(nèi)側(cè)副韌帶張力、股四頭肌張力及外側(cè)間室接觸應(yīng)力的測量，這是人體體內(nèi)研究時所禁止的有創(chuàng)操作［7，8］。尸體研究一般應(yīng)用新鮮冷凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本，去除膝關(guān)節(jié)皮膚及皮下組織，保留膝關(guān)節(jié)周圍肌肉群、膝關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)囊內(nèi)組織等。尸體研究的實(shí)驗(yàn)裝置主要有三部分組成：（1）運(yùn)動模擬系統(tǒng)主要通過控制運(yùn)動模擬試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動膝關(guān)節(jié)標(biāo)本模擬活體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動；（2）載荷系統(tǒng)主要模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷；（3）接觸測量系統(tǒng)主要采集并傳輸膝關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡及膝關(guān)節(jié)間室接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)［9］。離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本組織的性質(zhì)與活體非常相似，包括固有的解剖變異和局部的機(jī)械變異，在一段合理的測試時間內(nèi)，關(guān)節(jié)軟骨、韌帶和半月板在離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本上的表現(xiàn)都與活體相似。Peersman等［7］研究離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本UKA術(shù)后在運(yùn)動模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行被動活動、開放鉸鏈活動及深蹲活動的生物力學(xué)變化，分別收集并分析三種活動狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻，脛骨內(nèi)外旋、股骨位移及深蹲活動時外側(cè)間室接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)。該研究表明UKA術(shù)后大多數(shù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)與正常接近，特別是在被動活動時；但是在開放鉸鏈活動時，UKA術(shù)后內(nèi)側(cè)間室股骨上下位移、外側(cè)間室股骨前后位移及脛骨內(nèi)外翻差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在深蹲活動時，UKA術(shù)后外側(cè)間室接觸應(yīng)力比正常較高，但是無論膝關(guān)節(jié)屈曲角度如何，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與 Peersman等［7］研究相似，Heyse等［10］也發(fā)現(xiàn)在被動活動、開放鉸鏈活動時，UKA術(shù)后的股骨“回滾”模式與正常膝關(guān)節(jié)非常接近；深蹲活動時，UKA術(shù)后脛骨內(nèi)旋輕度減小。這些研究結(jié)果說明膝關(guān)節(jié)UKA術(shù)后生物力學(xué)與正常高度相似，是UKA術(shù)后臨床功能評分高、臨床效果滿意度高的佐證。與上述傳統(tǒng)尸體研究相比，導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用使尸體研究更容易、更便捷［11］。尸體研究有很多優(yōu)點(diǎn)，在生物力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，但是也有缺點(diǎn)［7，8，10～12］：（1）尸體標(biāo)本量少、花費(fèi)高、獲取困難，能應(yīng)用于尸體研究的更少，一個尸體標(biāo)本被多次使用；而且尸體標(biāo)本質(zhì)量受年齡、健康狀態(tài)、存儲時間、標(biāo)本準(zhǔn)備方法的影響，質(zhì)量參差不齊，不同研究結(jié)果之間可比性較差；（2）運(yùn)動模擬試驗(yàn)機(jī)能模擬少數(shù)簡單運(yùn)動，但是不能模擬日常生活中復(fù)雜運(yùn)動，比如跳躍、上樓梯、步態(tài)等，復(fù)雜運(yùn)動結(jié)果可能與簡單運(yùn)動結(jié)果不同；（3）經(jīng)過處理的離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本部分組織是缺損的，離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本的內(nèi)側(cè)副韌帶不能發(fā)揮作為感受器的作用，離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本無內(nèi)側(cè)單間室病變，這與活體是不同的；（4）UKA術(shù)后只能測量外側(cè)間室的接觸應(yīng)力，不能了解內(nèi)外側(cè)間室接觸應(yīng)力分布的變化。

2 有限元分析

有限元分析（finite element analysis,FEA）常被用來解決骨科研究中許多復(fù)雜問題，主要包括影像數(shù)據(jù)獲取、有限元模型建立及網(wǎng)絡(luò)劃分、材料屬性賦值、邊界條件設(shè)置、模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷、生物力學(xué)變化分析及有限元模型驗(yàn)證等過程［13］。傳統(tǒng)研究方法是通過使用復(fù)合人工骨材料或尸體標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這需要特殊的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，費(fèi)用較高且較為耗時，難以對不同患者及各種復(fù)雜情況下手術(shù)效果進(jìn)行評估［14］。與傳統(tǒng)的體外或體內(nèi)研究相比，F(xiàn)EA不需要昂貴的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置，可自主設(shè)置各種復(fù)雜的邊界條件，模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷并進(jìn)行生物力學(xué)分析，對膝關(guān)節(jié)內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，操作性及可重復(fù)性強(qiáng)［15］。Innocenti等［16］對同一個離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本進(jìn)行尸體研究和FEA，尸體研究發(fā)現(xiàn)給予離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本2 000 N負(fù)荷后，測量內(nèi)外側(cè)間室載荷，外側(cè)間室載荷占總負(fù)荷39.5%，與既往尸體研究文獻(xiàn)結(jié)果相似；同時，F(xiàn)EA測量內(nèi)外側(cè)間室載荷分布，發(fā)現(xiàn)外側(cè)間室載荷占總負(fù)荷40%，與該實(shí)驗(yàn)尸體研究結(jié)果相似，證明了FEA的可信性。Kang等［17］應(yīng)用FEA探討UKA術(shù)后不同關(guān)節(jié)線位置（±6,±4,±2,0 mm）對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響，與0 mm關(guān)節(jié)線位置比較，關(guān)節(jié)線位置增高時活動墊片上、下接觸面的最大接觸應(yīng)力均增加；相反，關(guān)節(jié)線位置減低時活動墊片上、下接觸面的最大接觸應(yīng)力均較少。該研究說明關(guān)節(jié)線位置的恢復(fù)是提高假體生存率、獲得滿意臨床效果的關(guān)鍵因素，因此建議UKA時要保持良好的關(guān)節(jié)線位置。朱廣鐸等［18］對正常膝關(guān)節(jié)及中立位UKA行FEA，對正常膝關(guān)節(jié)模型及UKA模型統(tǒng)一邊界條件后施加相同載荷，結(jié)果顯示UKA模型外側(cè)間室股骨軟骨、外側(cè)半月板及脛骨軟骨最大接觸應(yīng)力分別為2.71、2.93、2.84 MPa，而正常膝關(guān)節(jié)模型外側(cè)間室股骨軟骨、外側(cè)半月板及脛骨軟骨最大接觸應(yīng)力分別為2.60、2.68、2.63 MPa。該實(shí)驗(yàn)說明UKA術(shù)后中立位外側(cè)間室接觸應(yīng)力較正常膝關(guān)節(jié)輕度增加。但是，UKA在輕度內(nèi)翻位時，膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室接觸應(yīng)力較正常膝關(guān)節(jié)無明顯變化，說明UKA術(shù)后輕度內(nèi)翻位是被推薦的。FEA可以評估不同因素對UKA術(shù)后生物力學(xué)的影響，以優(yōu)化假體設(shè)計(jì)、預(yù)防并發(fā)癥、提高假體生存率及手術(shù)效果滿意度等，但尚存在局限性［13，14，17～19］:（1） FEA 以一名志愿者影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，所構(gòu)建有限元模型只反映個人膝關(guān)節(jié)特性，個體體型、體重、身高、年齡、性別、種族等因素會影響研究結(jié)果；（2）若需要增加有限元模型，大量影像數(shù)據(jù)的獲取是困難的，這需要花費(fèi)大量的時間、金錢，而且對大量志愿者進(jìn)行CT檢查是違背倫理的；（3）FEA只進(jìn)行單一負(fù)荷下的靜力學(xué)分析，缺乏復(fù)雜負(fù)荷條件下的動力學(xué)分析，需要進(jìn)一步完善UKA有限元模型在各種屈曲角度、內(nèi)外翻及內(nèi)外旋情況下的生物力學(xué)分析；（4）FEA過程中需要計(jì)算大量的數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)計(jì)算困難、圖像失真、運(yùn)算時間長、大量偽影和誤差等情況。

3 步態(tài)分析

步態(tài)分析是一個體內(nèi)研究，目前應(yīng)用最廣泛的方法是基于紅外追蹤技術(shù)的三維步態(tài)分析系統(tǒng)，通常由追蹤反光標(biāo)記三維運(yùn)動軌跡的動作捕捉系統(tǒng)、采集地面反作用力的測力臺和皮膚表面肌電圖采集裝置等三大部分組成［20］。三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括身體各個部分的相對位置與方向、足與地面的作用力、時間-空間關(guān)系和下肢肌肉的階段性活動，這些數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)軟件整合分析。步態(tài)分析不僅能獲取患肢膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)，還能同時獲取健肢膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)，能對患肢術(shù)前、術(shù)后不同隨訪時間及健肢膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比分析。與體外研究相比，步態(tài)分析能真實(shí)反映生理狀態(tài)，進(jìn)行多種運(yùn)動的動力學(xué)分析，比如平地行走、上坡、下坡等［21］。步態(tài)分析作為一種客觀性、量化性的評估方法，可以作為臨床功能評分評估的補(bǔ)充，為臨床決策提供更多信息。Catani等［20］及 Wiik 等［22］通過步態(tài)分析結(jié)合臨床功能評分發(fā)現(xiàn)活動平臺UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)與正常膝關(guān)節(jié)高度相似，較固定平臺UKA及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)更好，效果滿意度更高。Seeger等［23］將步態(tài)分析與臨床功能評分結(jié)合對UKA術(shù)前及術(shù)后進(jìn)行評估，膝關(guān)節(jié)活動度由術(shù)前的117.3°提高到 123.0°（P=0.0483），步長由術(shù)前 76.5 cm增加到81.9 cm（P=0.028）；而且所有臨床功能評分，美國膝關(guān)節(jié)學(xué)會評分（American Knee Society Score,AKSS）、牛津 12 項(xiàng)評分 （Oxford-12 Score）、Devane評分（Devane Score）和漢諾威骨關(guān)節(jié)炎功能能力問卷 ［Hannover functional ability questionnaire for osteoarthritis(FFbH-OA)score，F(xiàn)FBH-OA］ 均有顯著變化（P<0.01）。該研究說明UKA術(shù)后患肢功能明顯改善，更接近正常膝關(guān)節(jié)。步態(tài)分析可以對UKA患者下肢運(yùn)動功能進(jìn)行動態(tài)量化評估，能夠更加精準(zhǔn)地獲知患者術(shù)后的康復(fù)情況，進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)手術(shù)與探索康復(fù)新方法的目的，但是亦具有自身的局限性［23～26］:（1）步態(tài)分析最大的缺點(diǎn)是反光標(biāo)記粘貼于皮膚表面，在運(yùn)動過程中軟組織的滑動會對后續(xù)數(shù)據(jù)分析帶來較大誤差，無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)測量，只能獲取近似的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)；（2）步態(tài)分析的結(jié)果與硬件設(shè)備、軟件分析流程和測試者本身之間有一定關(guān)聯(lián)，還受到步行速度、年齡、性別、身高、種族等混雜因素的影響，很難形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行比較；（3）由于安全原因，UKA術(shù)后患者在進(jìn)行步態(tài)分析過程中需要扶持欄桿或扶手，避免跌倒摔傷，這與正常無扶持運(yùn)動測試者的結(jié)果無法進(jìn)行比較分析；（4）不可控因素影響較大，測試者本身在檢測過程中主觀意識對研究結(jié)果也有一定影響。

4 其他研究方法

除了尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析等常用研究方法外，還有一些研究的應(yīng)用越來越廣泛。Kono等［27］采用雙熒光成像系統(tǒng)研究活體活動平臺UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)的深蹲運(yùn)動，可對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)及運(yùn)動模式進(jìn)行精確分析。與傳統(tǒng)X射線立體成像分析相比，雙熒光成像系統(tǒng)不需預(yù)先置入不透射線的體內(nèi)標(biāo)記便可獲取高度精確的人體運(yùn)動學(xué)軌跡，但是該研究需要承受的輻射暴露量較大。除了X線進(jìn)行膝關(guān)節(jié)體內(nèi)研究外，部分研究者應(yīng)用磁共振成像技術(shù)研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)，但是目前缺乏對UKA術(shù)后生物力學(xué)的研究［28，29］。與X線相比，磁共振成像具有無輻射的特點(diǎn)，在未來UKA生物力學(xué)研究中會越來越受青睞。Bucek等［30］應(yīng)用術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)研究患者UKA術(shù)前及術(shù)后的運(yùn)動學(xué)變化，同時應(yīng)用膝關(guān)節(jié)鏡研究志愿者正常膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)變化。術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)及膝關(guān)節(jié)鏡都可以動態(tài)研究膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)變化，但是膝關(guān)節(jié)鏡檢查可能會影響膝關(guān)節(jié)功能。

綜上所述，在UKA術(shù)后生物力學(xué)研究中，上述研究結(jié)果說明牛津活動平臺內(nèi)側(cè)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)與正常膝關(guān)節(jié)高度相似。在生物力學(xué)研究中，尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析、X射線立體成像、雙熒光成像系統(tǒng)、磁共振成像技術(shù)、術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)、膝關(guān)節(jié)鏡等方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，但是整體上可信度高。因此，需要改進(jìn)現(xiàn)有研究方法，探索新的可信度更高的方法來研究牛津活動平臺內(nèi)側(cè)UKA術(shù)后生物力學(xué)變化，獲得更真實(shí)的結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)手術(shù)與探索康復(fù)新方法的目的，提高假體生存率、臨床效果滿意度。