固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體生物力學(xué)、步態(tài)分析及臨床意義研究.pdf

1、研究背景和目的：
　　膝關(guān)節(jié)是人體中結(jié)構(gòu)最大、最復(fù)雜的一個(gè)負(fù)重關(guān)節(jié)，退行性改變直至骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生在臨床上十分常見，當(dāng)膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重病損時(shí)，全膝關(guān)節(jié)置換是一種有效的手術(shù)治療方法。從上世紀(jì)60年代開展至今的全膝關(guān)節(jié)置換已經(jīng)日趨成熟，膝關(guān)節(jié)假體無論從設(shè)計(jì)、材料、工藝上都有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的大量開展，膝關(guān)節(jié)假體的相關(guān)研究日益受到關(guān)注。大量研究力求不斷完善并使膝關(guān)節(jié)能更加符合人體生物力學(xué)特性，延長(zhǎng)假體有效生存時(shí)間。在膝關(guān)節(jié)

2、假體設(shè)計(jì)中，假體活動(dòng)自由度和假體接觸面之間的應(yīng)力始終是一對(duì)矛盾，兼顧假體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和關(guān)節(jié)面應(yīng)力是膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是膝關(guān)節(jié)假體從固定平臺(tái)設(shè)計(jì)到活動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
　　在目前臨床使用膝關(guān)節(jié)假體中，主要根據(jù)西方人解剖學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，是否與中國(guó)人的解剖特點(diǎn)相符合至今尚無充分證據(jù)。膝關(guān)節(jié)多采用組配式設(shè)計(jì)，從而允許在根據(jù)實(shí)際骨骼的解剖情況，選擇不同型號(hào)股骨和脛骨假體進(jìn)行組配，目前還沒有數(shù)據(jù)支持這種不同型號(hào)間假體組配是否科學(xué)。不少研

3、究者提出由于當(dāng)今使用的膝關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)運(yùn)動(dòng)模式極其復(fù)雜，包括股骨髁矢狀面相對(duì)于脛骨向后移動(dòng)、水平面的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)以及冠狀面的內(nèi)外翻活動(dòng)等一系列復(fù)合的三維空間運(yùn)動(dòng)，所以單純從解剖學(xué)或體外力學(xué)等角度研究存在一定的局限性，需要在假體植入后進(jìn)行相關(guān)的臨床動(dòng)力學(xué)研究。
　　基于以上原因，本文將采用解剖學(xué)分析、假體生物力學(xué)分析、臨床步態(tài)分析的方法，針對(duì)目前膝關(guān)節(jié)假體二大設(shè)計(jì)主流，即固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)假體，分析比較兩種類型假體解剖匹配度、假體表面應(yīng)

4、力及采用上述假體置換術(shù)后的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)功能的差異，為臨床膝關(guān)節(jié)假體的選擇及其術(shù)后療效的預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)性理論依據(jù)。
　　研究方法：
　　（一）膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)面與假體配件間匹配度的測(cè)量和分析
　　入組的膝骨關(guān)節(jié)炎患者，共179例，324膝。利用64排螺旋CT掃描患者膝關(guān)節(jié)，層厚1.25mm。利用Mimics軟件對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建，同時(shí)利用Geomagic軟件對(duì)股骨和脛骨進(jìn)行截骨。分別測(cè)定股骨橫徑(fML)、股骨前

5、后徑(fAP)、股骨內(nèi)側(cè)前后徑(fMAP)、股骨外側(cè)前后徑(fLAP);脛骨截骨面橫徑(tML)、截骨面前后徑(tAP)、內(nèi)側(cè)前后徑(tMAP)、外側(cè)前后徑(tLAP)、中間內(nèi)側(cè)距離(CM)、中間外側(cè)距離(CL)。分別計(jì)算股骨和脛骨截骨面的長(zhǎng)寬比AR(AR=ML/AP×100);最后與PFCSigma假體截骨面進(jìn)行分析比較。從而了解中國(guó)膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)數(shù)據(jù)與西方人差異，以及與目前膝關(guān)節(jié)假體配件之間的關(guān)系。
　?。ǘ┕潭ê突顒?dòng)平臺(tái)型膝

6、關(guān)節(jié)假體受力狀況的有限元分析
　　以美國(guó)Depuy公司PFCSigma固定和活動(dòng)平臺(tái)型膝關(guān)節(jié)假體為研究對(duì)象，固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)研究組膝關(guān)節(jié)假體研究均選用股骨側(cè)選用3號(hào)假體，選配固定平臺(tái)脛骨側(cè)2.5號(hào)假體（3/2.5配對(duì)）或4號(hào)假體（3/4配對(duì)），活動(dòng)平臺(tái)脛骨側(cè)3號(hào)假體（3/3配對(duì)）。分別構(gòu)建計(jì)算機(jī)有限元模型后，模擬雙腿站立、平地行走、上樓梯情況下，對(duì)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)處于0°、10°、20°、30°、45°、60°、75°夾角時(shí)最大等效應(yīng)

7、力進(jìn)行有限元分析，比較固定平臺(tái)3/3配對(duì)與活動(dòng)平臺(tái)3/3配對(duì)之間最大等效應(yīng)力差異，以及固定平臺(tái)3/3配對(duì)與3/2.5、3/4配對(duì)間最大等效應(yīng)力差異。
　?。ㄈ┕潭ㄆ脚_(tái)和活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的步態(tài)分析
　　分別選擇20例固定平臺(tái)和20例活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后病例進(jìn)行步態(tài)分析。所有病例通過體表放置系列標(biāo)記物，在VICONT4010鏡頭紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和RSscan足地測(cè)力系統(tǒng)中，采集平地行走數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析包括假體手

8、術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)，分為固定平臺(tái)左側(cè)(FBL)、固定平臺(tái)右側(cè)(FBR)、固定平臺(tái)雙側(cè)(FBB)、活動(dòng)平臺(tái)左側(cè)(MBL)、活動(dòng)平臺(tái)右側(cè)(MBR)、活動(dòng)平臺(tái)雙側(cè)(MBB)6組，采用多變量單因素方差分析進(jìn)行每組數(shù)據(jù)左右膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)比較以及固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的差異。
　　結(jié)果：
　?。ㄒ唬┫リP(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)面的測(cè)量數(shù)據(jù)
　　1.股骨側(cè)關(guān)節(jié)面數(shù)據(jù):
　　fMAP及fLAP有顯著性差異(p＜0

9、.05)，提示股骨截骨面內(nèi)側(cè)髁前后徑大于外側(cè)髁;男女之間fML及fAP有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異(p＜0.05)，男性的值均較大于女性。
　　2.脛骨側(cè)解剖學(xué)數(shù)據(jù):
　　與女性相比，男性的tML與tAP均較大(p＜0.05);tMAP及tLAP存在顯著性差異(p＜0.05)，提示脛骨截骨面內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)前后徑大于外側(cè);CL及CM統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異存在(p＜0.05)，提示適用于中國(guó)人群的膝關(guān)節(jié)假體脛骨組件需要設(shè)計(jì)為非對(duì)稱性假體;膝關(guān)節(jié)假

10、體尺寸與fAP與tML、tAP均有顯著相關(guān)性(p＜0.05)。
　　（二）活動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體表面的應(yīng)力變化
　　有限元模型中，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)聚乙烯在雙腿站立、平地行走和上樓三種狀況下，最大等效應(yīng)力均小于固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)。其中，在雙腿站立和平地行走狀態(tài)膝關(guān)節(jié)屈曲45°、60°、75°位置，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)和固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)聚乙烯墊片表面最大等效應(yīng)力具有顯著差異(p＜0.05)。固定平臺(tái)假體股骨與脛骨不同型號(hào)配對(duì)表面應(yīng)力比較

11、:在平地行走及上樓梯兩種工況下，不同型號(hào)交叉配對(duì)的人工膝關(guān)節(jié)的最大等效應(yīng)力均大于相同型號(hào)配對(duì)的人工膝關(guān)節(jié)的最大等效應(yīng)力，夾角為20°時(shí)，增幅達(dá)到最大;3/2.5，3/4配對(duì)狀態(tài)聚乙烯墊片應(yīng)力增高區(qū)域面積均大于3/3配對(duì)。在雙腿站立狀態(tài)，3/3配對(duì)與3/2.5配對(duì)最大等效應(yīng)力值在膝關(guān)節(jié)屈曲0°至20°時(shí)顯著性差異(p＜0.05)，大于30°時(shí)無顯著差異(P＞0.05)，3/3配對(duì)與3/4配對(duì)最大等效應(yīng)力在屈曲0°至30°和屈曲75°位置有

12、顯著差異(P＜0.05);當(dāng)模擬平地行走時(shí)，3/3配對(duì)與3/2.5配對(duì)、3/4配對(duì)應(yīng)力值在屈曲0°至20°均有顯著性差異(P＜0.05);模擬上樓情況時(shí)，3/3配對(duì)與3/2.5配對(duì)、3/4配對(duì)0°至30°范圍內(nèi)各角度之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，45°至75°范圍內(nèi)各角度之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。
　　（三）固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的步態(tài)情況
　　在平地行走過程中，膝關(guān)節(jié)在足趾離地到足跟著地間

13、的屈曲高峰期達(dá)到最大的膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)，平均屈曲范圍在45-65°。其中，活動(dòng)平臺(tái)組為52.08°±10.62°，固定平臺(tái)組峰值為56.09°±11.43°，兩組在膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)峰值未發(fā)現(xiàn)顯著差異(p＞0.05)。在動(dòng)力學(xué)方面，兩組膝關(guān)節(jié)在屈伸扭矩上也無顯著性差異(p＞0.05)。說明在膝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)屈伸活動(dòng)中，活動(dòng)平臺(tái)相對(duì)固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)置換并不占有優(yōu)勢(shì)。在內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)過程中，步態(tài)周期內(nèi)，活動(dòng)平臺(tái)組內(nèi)旋活動(dòng)為-3.39°±1.71，固定平臺(tái)

14、組內(nèi)旋活動(dòng)為-0.67°±1.91，活動(dòng)平臺(tái)組比固定平臺(tái)組有更大的內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)，兩者具有顯著性差異(p＜0.05)。在膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋扭矩上，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期內(nèi)，內(nèi)旋最大扭矩低于固定平臺(tái)組，兩者具有顯著性差異(p＜0.05)。在內(nèi)外翻活動(dòng)中，活動(dòng)平臺(tái)組與固定平臺(tái)組在步態(tài)周期內(nèi)，活動(dòng)平臺(tái)組的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻峰值為4.40°±5.73，固定平臺(tái)組5.01°±5.83，兩組在內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)中無顯著性差異(p＞0.05)。在動(dòng)力學(xué)上，固定平臺(tái)組（-0

15、.47±0.19N.M/Kg）大于活動(dòng)平臺(tái)組（-0.32±0.15N.M/Kg），兩者具有顯著性差異(p＜0.05)。研究中發(fā)現(xiàn)活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)，置換側(cè)(16.73±1.71mm)較未置換側(cè)(5.17±1.91mm)，在前后平移運(yùn)動(dòng)中具有顯著性差異(p＜0.05)，而固定平臺(tái)組置換側(cè)與對(duì)側(cè)比較前后平移運(yùn)動(dòng)無顯著性差異(p＞0.05)?？傮w上，在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)至步態(tài)周期屈曲峰值時(shí)，膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生最大向后平移運(yùn)動(dòng)，在活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)13.57±5.79

16、mm，固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)組10.56±5.11mm，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)在屈曲活動(dòng)中股骨后移幅度大于固定平臺(tái)組，兩組具有顯著性差異(p＜0.05)。內(nèi)外側(cè)平移運(yùn)動(dòng)和上下平移運(yùn)動(dòng)中，力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)均無顯著性差異(p＞0.05)，兩組均表現(xiàn)良好的側(cè)方和上下穩(wěn)定性。
　　結(jié)論：
　　1.男性膝骨關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)面，其股骨和脛骨側(cè)前后徑、內(nèi)外側(cè)徑均大于女性，說明男性膝關(guān)節(jié)假體與女性膝關(guān)節(jié)假體型號(hào)上應(yīng)當(dāng)不同。股骨和脛骨內(nèi)側(cè)前后徑大于外側(cè)徑，結(jié)

17、合CL及CM統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異存在，提示適用于中國(guó)人群的膝關(guān)節(jié)假體脛骨組件需要設(shè)計(jì)為非對(duì)稱性假體。股骨和脛骨側(cè)假體與股骨和脛骨的前后徑及橫徑存在相關(guān)性，說明股骨和脛骨側(cè)假體設(shè)計(jì)在解剖學(xué)應(yīng)該存在匹配性。
　　2.有限元模型中，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體的聚乙烯在雙腿站立、平地行走和上樓三種狀況下最大等效應(yīng)力均小于固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體。固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體中由于脛骨和股骨側(cè)假體型號(hào)不匹配，會(huì)造成局部最大等效應(yīng)力集中并增高。結(jié)合解剖學(xué)數(shù)據(jù)中股骨和脛骨

18、側(cè)前后徑和橫徑匹配數(shù)據(jù)，說明在股骨和脛骨解剖學(xué)數(shù)據(jù)匹配性對(duì)固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體影響較大，而對(duì)活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中由于旋轉(zhuǎn)代償因素，解剖學(xué)匹配性影響不大。對(duì)脛骨和股骨假體型號(hào)不匹配情況下，建議使用活動(dòng)平臺(tái)假體。
　　3.在平地行走步態(tài)周期內(nèi)，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體內(nèi)外旋轉(zhuǎn)程度大于固定平臺(tái)假體，而內(nèi)外旋扭矩小于固定平臺(tái)假體，符合活動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。膝關(guān)節(jié)在前后平移運(yùn)動(dòng)中，活動(dòng)平臺(tái)假體較未置換假體側(cè)范圍更大，說明活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體置換術(shù)后

19、膝關(guān)節(jié)前后移活動(dòng)度大于骨關(guān)節(jié)炎膝關(guān)節(jié)?；顒?dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)在屈曲活動(dòng)中股骨后移幅度大于固定平臺(tái)組，更符合膝關(guān)節(jié)在屈曲活動(dòng)中的向后滾動(dòng)移動(dòng)的生理特性。在同樣的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻穩(wěn)定性下，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)承受了更小的內(nèi)翻扭矩。在其余的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中，固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體之間無顯著性差異。
　　綜上所述，活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)假體的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)解剖學(xué)適應(yīng)性更大，手術(shù)中即使采用相鄰不同型號(hào)匹配，聚乙烯墊片可始終與股骨匹配因而可保證更好的力學(xué)特性。在