固定與旋轉(zhuǎn)平臺膝關(guān)節(jié)假體有限元、體外生物力學(xué)分析及臨床應(yīng)用研究.pdf

1、全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)對于晚期關(guān)節(jié)炎和其他膝關(guān)節(jié)疾病已經(jīng)成為一種非常成功的治療方法。但外科醫(yī)生對于假體的選擇并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計理念是盡可能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常生理運動，使假體與膝關(guān)節(jié)軟組織生物力學(xué)達到協(xié)調(diào)。理論上膝關(guān)節(jié)假體應(yīng)最大限度的減輕關(guān)節(jié)面接觸壓和骨-假體間應(yīng)力，減少聚乙烯墊片磨損、假體松動和增加假體固定的可靠性。無扣鎖機制的膝關(guān)節(jié)假體在軟組織平衡及假體固定良好的情況下，股骨和脛骨之間能夠旋轉(zhuǎn)及滑動。 基于假體設(shè)計理論，目

2、前膝關(guān)節(jié)假體分為兩大類：①固定平臺膝關(guān)節(jié)假體，其聚乙烯襯墊和脛骨平臺有扣鎖機制，兩者之間的連接不能達到絕對的牢固，脛骨平臺非高拋光面。因此在膝關(guān)節(jié)運動中，兩者會產(chǎn)生微動，導(dǎo)致聚乙烯下表面磨損。股骨假體和聚乙烯墊片之間為多方向運動。關(guān)節(jié)接觸面呈圓對平(或淺凹)的接觸方式，限制了關(guān)節(jié)間的高匹配，導(dǎo)致局部高應(yīng)力；②活動平臺膝關(guān)節(jié)假體，其聚乙烯襯墊在脛骨假體上自由滑動和旋轉(zhuǎn)活動，關(guān)節(jié)面高度匹配。脛骨平臺為高拋光面，最大限度減少聚乙烯墊片下表面磨

3、損。并且更加接近膝關(guān)節(jié)正常生理運動。目前應(yīng)用最多是旋轉(zhuǎn)平臺假體，旋轉(zhuǎn)平臺彌補了固定平臺在運動學(xué)方面關(guān)節(jié)高度匹配并能自由旋轉(zhuǎn)兩者之間的矛盾。兩種假體又可分為后交叉韌帶保留型和后交叉韌帶替代型。 盡管理論上旋轉(zhuǎn)平臺(rotating-platform，RP)膝關(guān)節(jié)假體優(yōu)于固定平臺(fixed-bearing，F(xiàn)B)，但目前對于選擇哪一種假體存在爭議。對于上述關(guān)于旋轉(zhuǎn)平臺的理論優(yōu)勢，國外已進行了大量的實驗研究，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)平臺假體能夠在脛

4、股關(guān)節(jié)位置不良的情況下自我調(diào)節(jié)對線，減少脛股關(guān)節(jié)接觸壓，在體外聚乙烯磨損試驗中證實旋轉(zhuǎn)平臺減少聚乙烯磨損。旋轉(zhuǎn)平臺置換術(shù)后患者在體內(nèi)步態(tài)和膝關(guān)節(jié)高度屈曲實驗中發(fā)現(xiàn)脛股關(guān)節(jié)較固定平臺有更大的軸向旋轉(zhuǎn)。然而，臨床研究結(jié)果顯示兩種假體10年生存率均接近95％，中長期臨床隨訪結(jié)果兩者并沒有明顯的差異。旋轉(zhuǎn)平臺提高假體長期生存率的理論優(yōu)勢，在任何文獻報道中都沒有體現(xiàn)。而且旋轉(zhuǎn)平臺特有的脫位的并發(fā)癥，盡管發(fā)生率低，可能會影響臨床醫(yī)生在選擇假體上的偏

5、向。 目前大多數(shù)旋轉(zhuǎn)平臺假體旋轉(zhuǎn)中心位于膝關(guān)節(jié)的中心，且文獻報道最多的是LCS旋轉(zhuǎn)平臺假體。而正常的膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心位于股骨內(nèi)側(cè)髁。盡管沒有實驗去證實這種差異的有效性，可以假設(shè)假體設(shè)計旋轉(zhuǎn)軸線和正常膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線的不匹配性會增加骨-假體界面的應(yīng)力。這種缺陷可能會抵消旋轉(zhuǎn)平臺減少聚乙烯磨損的優(yōu)點，導(dǎo)致最終的臨床結(jié)果沒有明顯優(yōu)點。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)運動不能達到正常膝關(guān)節(jié)運動狀態(tài)，除非脛股關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)及滑動中假體的接觸部位完全與正常膝

6、關(guān)節(jié)的解剖部位相符和旋轉(zhuǎn)中心匹配。由于實驗室研究和臨床研究中，所設(shè)定的變量、患者選擇和采取的試驗方法不同，故難以確定旋轉(zhuǎn)平臺假體和固定平臺假體哪個更優(yōu)越。 鑒于目前固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺的爭議，我們設(shè)計了本實驗。因此，第一，首先建立人體膝關(guān)節(jié)計算模型，計算機模型分析，一方面可以降低成本，節(jié)省時間、消除標(biāo)本間的個體差異。另一方面則可通過對實驗條件的控制，準(zhǔn)確地模擬體內(nèi)的力學(xué)情況。在此基礎(chǔ)上模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，以期分析固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺

7、對全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后脛股關(guān)節(jié)的影響；第二，采用尸體標(biāo)本進行生物力學(xué)實驗是生物力學(xué)測試的金標(biāo)準(zhǔn)，分析在脛骨假體不同旋轉(zhuǎn)角度下對兩種假體脛股關(guān)節(jié)的影響；第三，我們進行回顧性研究比較固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺的臨床結(jié)果?；诖四康?，我們這一階段的工作包括以下幾部分： 第一部分 人體膝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立及其有效性驗證 目的：根據(jù)膝關(guān)節(jié)的CT和MRI掃描圖像，建立人體膝關(guān)節(jié)的三維物理模型和三維有限元模型，以計算脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)

8、運動學(xué)和力學(xué)參數(shù)，并驗證其有效性。 方法：根據(jù)1名正常青年志愿者膝關(guān)節(jié)CT、MRI掃描圖像，利用圖像處理和轉(zhuǎn)換技術(shù)，運用CAD分析軟件及由下而上的點、線、面、體建模原則，重建膝關(guān)節(jié)三維物理模型，并定義對髕股關(guān)節(jié)起重要作用的股四頭肌、韌帶及其他軟組織為非線性彈性纖維束，并以股四頭肌力為控制變量，模擬膝關(guān)節(jié)伸膝運動。在膝關(guān)節(jié)三維物理模型的基礎(chǔ)上，運用有限元軟件重建膝關(guān)節(jié)有限元模型，按雙腿直立位時膝部實際受力大小和方向?qū)δＰ图虞d相同載

9、荷，模擬膝關(guān)節(jié)下蹲運動。 結(jié)果：建立了一個有效的包括半月板、軟骨、前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶和骨骼在內(nèi)的膝關(guān)節(jié)三維物理模型和膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。通過模型計算膝關(guān)節(jié)的部分運動學(xué)和力學(xué)參數(shù)，與文獻中實驗數(shù)據(jù)和體外實驗進行比較，結(jié)果表明該模型有效。 結(jié)論：本研究基于CT和MRI所建立的膝關(guān)節(jié)三維物理模型和膝關(guān)節(jié)有限元模型，與人膝關(guān)節(jié)解剖實際相符，能逼真地反映膝關(guān)節(jié)的真實幾何結(jié)構(gòu)，可有效的計算脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)和力學(xué)

10、參數(shù)，有效的分析膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況。 第二部分 全膝關(guān)節(jié)置換固定和旋轉(zhuǎn)平臺假體的有限元分析 目的：有限元比較分析全膝關(guān)節(jié)置換固定和旋轉(zhuǎn)平臺假體脛股關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性。著重探討兩種假體脛股關(guān)節(jié)接觸壓和接觸面的比較。 方法：根據(jù)已經(jīng)驗證的正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，選擇合適的假體型號，通過逆向工程重建出固定和旋轉(zhuǎn)平臺假體模型，植入三維有限元模型中。建立兩種膝關(guān)節(jié)假體有限元模型，通過有限元分析方法在兩種模型上在不同

11、屈膝角度0°、30°、60°、90°、120°下加載。觀察兩種假體脛股關(guān)節(jié)的接觸壓和接觸面積。 結(jié)果：固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺有限元模型顯示內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸壓均大于外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸壓。在不同屈膝角度0°、30°、60°、90°、120°下旋轉(zhuǎn)平臺內(nèi)外脛股關(guān)節(jié)接觸壓均小于固定平臺內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸壓(p＜0.05)，在屈膝30°、60°、90°、120°時旋轉(zhuǎn)平臺內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積均大于固定平臺內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積(p＜0.05)

12、。 結(jié)論：旋轉(zhuǎn)平臺假體在不同屈膝角度下增大脛股關(guān)節(jié)接觸面積，減少接觸壓，會減少聚乙烯磨損，提高假體生存率。 第三部分 全膝關(guān)節(jié)置換固定和旋轉(zhuǎn)平臺脛骨假體位置不良的生物力學(xué)研究 目的：通過對全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)標(biāo)本行生物力學(xué)測試，比較同一屈膝角度下固定和旋轉(zhuǎn)平臺脛骨假體不同旋轉(zhuǎn)錯位對脛股關(guān)節(jié)接觸壓峰值和接觸面積的影響。 方法：5例新鮮冷凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本予以行固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺膝關(guān)節(jié)置換并以脛骨結(jié)節(jié)中內(nèi)

13、1/3為脛骨假體的旋轉(zhuǎn)中立位。將置換后標(biāo)本安裝至力學(xué)試驗平臺。借助于壓力傳感器測量不同屈膝角度(0°、30°、60°、90°、120°)下脛股關(guān)節(jié)接觸壓峰值和接觸面積。調(diào)整脛骨假體至內(nèi)旋15°、10°、5°及外旋5°、10°、15°，分別重復(fù)以上各個不同角度的測試過程并記錄不同旋轉(zhuǎn)錯位情況下不同屈曲角度的脛股關(guān)節(jié)接觸壓峰值和接觸面積。 結(jié)果：膝關(guān)節(jié)0°伸直位，固定平臺和旋轉(zhuǎn)平臺內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸壓峰值均以脛骨假體旋轉(zhuǎn)中立位時最小

14、，固定平臺脛骨假體的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)錯位時均導(dǎo)致了接觸壓峰值的顯著升高(p＜0.05)，而旋轉(zhuǎn)平臺假體在脛骨假體內(nèi)外旋轉(zhuǎn)5°～10°范圍內(nèi)接觸壓峰值升高不明顯(p＞0.05)，在脛骨假體內(nèi)外旋15°接觸壓峰值的顯著升高(p＜0.05)。膝關(guān)節(jié)屈曲過程中，脛股關(guān)節(jié)接觸壓峰值的最低值卻并非一直出現(xiàn)在脛骨假體旋轉(zhuǎn)中立位。同一屈曲角度下，當(dāng)對相同角度內(nèi)旋和外旋錯位所導(dǎo)致的內(nèi)、外側(cè)脛股關(guān)節(jié)間隙接觸壓峰值進行比較時，內(nèi)旋錯位導(dǎo)致內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)間隙接觸壓峰值的

15、升高較外側(cè)脛股關(guān)節(jié)間隙更為明顯，而外旋錯位導(dǎo)致外側(cè)脛股關(guān)節(jié)間隙接觸壓峰值的升高較內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)間隙更為明顯。 膝關(guān)節(jié)0°伸直位，內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積隨脛骨假體旋轉(zhuǎn)錯位角度的增加均呈下降趨勢。在關(guān)節(jié)屈曲的過程中，同一屈膝角度下，不同脛骨假體旋轉(zhuǎn)錯位所致脛股關(guān)節(jié)接觸面積的變化雖不如0°位時規(guī)律，但總體而言，隨著脛骨假體旋轉(zhuǎn)錯位角度的增加，脛股關(guān)節(jié)接觸面積呈逐步下降趨勢。 結(jié)論：旋轉(zhuǎn)平臺假體在脛股關(guān)節(jié)對位、對線不良的情況下能夠

16、自我調(diào)節(jié)下肢對線， 第四部分 固定和旋轉(zhuǎn)平臺假體在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的早期臨床比較研究 目的：回顧性比較固定平臺假體和旋轉(zhuǎn)平臺假體在全膝關(guān)節(jié)置換中的早期臨床結(jié)果。 方法：2006年1月至2006年12月共對100例(100膝)行初次全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的骨關(guān)節(jié)炎患者進行回顧性研究。男32例，女68例。固定平臺組50例(50膝)平均年齡78歲(54～80歲)，旋轉(zhuǎn)平臺組50例(50膝)平均年齡67.5歲(50～77

17、歲)。全部病例選用不保留后交叉韌帶骨水泥型假體(PFC)，髕骨均行成形術(shù)，未置換。固定平臺組和旋轉(zhuǎn)平臺組兩組術(shù)前資料進行AKSS評分、活動度(ROM)、年齡、性別、體重等進行統(tǒng)計學(xué)分析。 結(jié)果：所有患者均獲得隨訪，平均隨訪15個月(12～20個月)。術(shù)前兩組在年齡、體重和身高方面沒有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.547，0.628，．879)。末次隨訪時，兩組在AKSS關(guān)節(jié)評分和活動度(ROM)方面沒有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.818，0.29