固定平臺和活動平臺膝關節(jié)假體生物力學、步態(tài)分析及臨床意義研究.pdf

1、研究背景和目的：
　　膝關節(jié)是人體中結構最大、最復雜的一個負重關節(jié)，退行性改變直至骨關節(jié)炎的發(fā)生在臨床上十分常見，當膝關節(jié)出現(xiàn)嚴重病損時，全膝關節(jié)置換是一種有效的手術治療方法。從上世紀60年代開展至今的全膝關節(jié)置換已經(jīng)日趨成熟，膝關節(jié)假體無論從設計、材料、工藝上都有著長足的進步。隨著全膝關節(jié)置換手術的大量開展，膝關節(jié)假體的相關研究日益受到關注。大量研究力求不斷完善并使膝關節(jié)能更加符合人體生物力學特性，延長假體有效生存時間。在膝關節(jié)

2、假體設計中，假體活動自由度和假體接觸面之間的應力始終是一對矛盾，兼顧假體的運動學特性和關節(jié)面應力是膝關節(jié)假體設計的難點，也是膝關節(jié)假體從固定平臺設計到活動平臺設計的重要依據(jù)。
　　在目前臨床使用膝關節(jié)假體中，主要根據(jù)西方人解剖學數(shù)據(jù)設計，是否與中國人的解剖特點相符合至今尚無充分證據(jù)。膝關節(jié)多采用組配式設計，從而允許在根據(jù)實際骨骼的解剖情況，選擇不同型號股骨和脛骨假體進行組配，目前還沒有數(shù)據(jù)支持這種不同型號間假體組配是否科學。不少研

3、究者提出由于當今使用的膝關節(jié)假體在體內(nèi)運動模式極其復雜，包括股骨髁矢狀面相對于脛骨向后移動、水平面的旋轉活動以及冠狀面的內(nèi)外翻活動等一系列復合的三維空間運動，所以單純從解剖學或體外力學等角度研究存在一定的局限性，需要在假體植入后進行相關的臨床動力學研究。
　　基于以上原因，本文將采用解剖學分析、假體生物力學分析、臨床步態(tài)分析的方法，針對目前膝關節(jié)假體二大設計主流，即固定平臺和活動平臺假體，分析比較兩種類型假體解剖匹配度、假體表面應

4、力及采用上述假體置換術后的關節(jié)運動學和動力學功能的差異，為臨床膝關節(jié)假體的選擇及其術后療效的預測提供指導性理論依據(jù)。
　　研究方法：
　?。ㄒ唬┫リP節(jié)骨關節(jié)炎關節(jié)面與假體配件間匹配度的測量和分析
　　入組的膝骨關節(jié)炎患者，共179例，324膝。利用64排螺旋CT掃描患者膝關節(jié)，層厚1.25mm。利用Mimics軟件對膝關節(jié)進行三維重建，同時利用Geomagic軟件對股骨和脛骨進行截骨。分別測定股骨橫徑(fML)、股骨前

5、后徑(fAP)、股骨內(nèi)側前后徑(fMAP)、股骨外側前后徑(fLAP);脛骨截骨面橫徑(tML)、截骨面前后徑(tAP)、內(nèi)側前后徑(tMAP)、外側前后徑(tLAP)、中間內(nèi)側距離(CM)、中間外側距離(CL)。分別計算股骨和脛骨截骨面的長寬比AR(AR=ML/AP×100);最后與PFCSigma假體截骨面進行分析比較。從而了解中國膝關節(jié)解剖學數(shù)據(jù)與西方人差異，以及與目前膝關節(jié)假體配件之間的關系。
　?。ǘ┕潭ê突顒悠脚_型膝

6、關節(jié)假體受力狀況的有限元分析
　　以美國Depuy公司PFCSigma固定和活動平臺型膝關節(jié)假體為研究對象，固定平臺和活動平臺研究組膝關節(jié)假體研究均選用股骨側選用3號假體，選配固定平臺脛骨側2.5號假體（3/2.5配對）或4號假體（3/4配對），活動平臺脛骨側3號假體（3/3配對）。分別構建計算機有限元模型后，模擬雙腿站立、平地行走、上樓梯情況下，對膝關節(jié)活動處于0°、10°、20°、30°、45°、60°、75°夾角時最大等效應

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

8、術側與非手術側，分為固定平臺左側(FBL)、固定平臺右側(FBR)、固定平臺雙側(FBB)、活動平臺左側(MBL)、活動平臺右側(MBR)、活動平臺雙側(MBB)6組，采用多變量單因素方差分析進行每組數(shù)據(jù)左右膝關節(jié)運動學和動力學比較以及固定平臺和活動平臺膝關節(jié)假體在運動學和動力學上的差異。
　　結果：
　?。ㄒ唬┫リP節(jié)骨關節(jié)炎關節(jié)面的測量數(shù)據(jù)
　　1.股骨側關節(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)側髁前后徑大于外側髁;男女之間fML及fAP有統(tǒng)計學顯著性差異(p＜0.05)，男性的值均較大于女性。
　　2.脛骨側解剖學數(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)側脛骨平臺前后徑大于外側;CL及CM統(tǒng)計學顯著性差異存在(p＜0.05)，提示適用于中國人群的膝關節(jié)假體脛骨組件需要設計為非對稱性假體;膝關節(jié)假

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

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

12、顯著差異(P＜0.05);當模擬平地行走時，3/3配對與3/2.5配對、3/4配對應力值在屈曲0°至20°均有顯著性差異(P＜0.05);模擬上樓情況時，3/3配對與3/2.5配對、3/4配對0°至30°范圍內(nèi)各角度之間差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，45°至75°范圍內(nèi)各角度之間差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。
　?。ㄈ┕潭ㄆ脚_和活動平臺膝關節(jié)置換術后的步態(tài)情況
　　在平地行走過程中，膝關節(jié)在足趾離地到足跟著地間

13、的屈曲高峰期達到最大的膝關節(jié)屈曲活動，平均屈曲范圍在45-65°。其中，活動平臺組為52.08°±10.62°，固定平臺組峰值為56.09°±11.43°，兩組在膝關節(jié)屈伸運動峰值未發(fā)現(xiàn)顯著差異(p＞0.05)。在動力學方面，兩組膝關節(jié)在屈伸扭矩上也無顯著性差異(p＞0.05)。說明在膝關節(jié)主要運動屈伸活動中，活動平臺相對固定平臺膝關節(jié)置換并不占有優(yōu)勢。在內(nèi)外旋運動過程中，步態(tài)周期內(nèi)，活動平臺組內(nèi)旋活動為-3.39°±1.71，固定平臺

14、組內(nèi)旋活動為-0.67°±1.91，活動平臺組比固定平臺組有更大的內(nèi)旋運動，兩者具有顯著性差異(p＜0.05)。在膝關節(jié)的內(nèi)外旋扭矩上，活動平臺膝關節(jié)在步態(tài)周期內(nèi)，內(nèi)旋最大扭矩低于固定平臺組，兩者具有顯著性差異(p＜0.05)。在內(nèi)外翻活動中，活動平臺組與固定平臺組在步態(tài)周期內(nèi)，活動平臺組的膝關節(jié)內(nèi)外翻峰值為4.40°±5.73，固定平臺組5.01°±5.83，兩組在內(nèi)外翻運動中無顯著性差異(p＞0.05)。在動力學上，固定平臺組（-0

15、.47±0.19N.M/Kg）大于活動平臺組（-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)活動平臺膝關節(jié)，置換側(16.73±1.71mm)較未置換側(5.17±1.91mm)，在前后平移運動中具有顯著性差異(p＜0.05)，而固定平臺組置換側與對側比較前后平移運動無顯著性差異(p＞0.05)?？傮w上，在膝關節(jié)活動至步態(tài)周期屈曲峰值時，膝關節(jié)產(chǎn)生最大向后平移運動，在活動平臺膝關節(jié)13.57±5.79

16、mm，固定平臺膝關節(jié)組10.56±5.11mm，活動平臺膝關節(jié)在屈曲活動中股骨后移幅度大于固定平臺組，兩組具有顯著性差異(p＜0.05)。內(nèi)外側平移運動和上下平移運動中，力學及運動學數(shù)據(jù)均無顯著性差異(p＞0.05)，兩組均表現(xiàn)良好的側方和上下穩(wěn)定性。
　　結論：
　　1.男性膝骨關節(jié)炎患者的關節(jié)面，其股骨和脛骨側前后徑、內(nèi)外側徑均大于女性，說明男性膝關節(jié)假體與女性膝關節(jié)假體型號上應當不同。股骨和脛骨內(nèi)側前后徑大于外側徑，結

17、合CL及CM統(tǒng)計學顯著性差異存在，提示適用于中國人群的膝關節(jié)假體脛骨組件需要設計為非對稱性假體。股骨和脛骨側假體與股骨和脛骨的前后徑及橫徑存在相關性，說明股骨和脛骨側假體設計在解剖學應該存在匹配性。
　　2.有限元模型中，活動平臺膝關節(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力均小于固定平臺膝關節(jié)假體。固定平臺膝關節(jié)假體中由于脛骨和股骨側假體型號不匹配，會造成局部最大等效應力集中并增高。結合解剖學數(shù)據(jù)中股骨和脛骨

18、側前后徑和橫徑匹配數(shù)據(jù)，說明在股骨和脛骨解剖學數(shù)據(jù)匹配性對固定平臺膝關節(jié)假體影響較大，而對活動平臺膝關節(jié)假體設計中由于旋轉代償因素，解剖學匹配性影響不大。對脛骨和股骨假體型號不匹配情況下，建議使用活動平臺假體。
　　3.在平地行走步態(tài)周期內(nèi)，活動平臺膝關節(jié)假體內(nèi)外旋轉程度大于固定平臺假體，而內(nèi)外旋扭矩小于固定平臺假體，符合活動平臺設計的優(yōu)點。膝關節(jié)在前后平移運動中，活動平臺假體較未置換假體側范圍更大，說明活動平臺膝關節(jié)假體置換術后

19、膝關節(jié)前后移活動度大于骨關節(jié)炎膝關節(jié)?；顒悠脚_膝關節(jié)在屈曲活動中股骨后移幅度大于固定平臺組，更符合膝關節(jié)在屈曲活動中的向后滾動移動的生理特性。在同樣的膝關節(jié)內(nèi)外翻穩(wěn)定性下，活動平臺膝關節(jié)承受了更小的內(nèi)翻扭矩。在其余的運動學和動力學分析中，固定平臺和活動平臺膝關節(jié)假體之間無顯著性差異。
　　綜上所述，活動平臺膝關節(jié)假體的優(yōu)勢在于對解剖學適應性更大，手術中即使采用相鄰不同型號匹配，聚乙烯墊片可始終與股骨匹配因而可保證更好的力學特性。在