马童 薛华明 文涛 杨涛 薛龙 赵改平 涂意辉*

膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）近十年中在治疗膝关节内侧间室骨关节炎中取得了巨大成功，其假体失败率大幅降低，目前10 年假体生存率高达95%～98%，是手术治疗前内侧骨关节炎的重要选择[1-2]。

单髁置换术的复兴取决于器械材料的改进、手术技术的提高和适应证的明确。以往文献中前交叉韧带缺失（anterior cruciateligamentdificiency，ACLD）是UKA 的禁忌证[3-4]。膝关节的不稳定和反常运动，导致胫骨假体的早期松动，聚乙烯衬垫磨损加大或外侧间室进展性关节炎而导致手术的早期失败。但近期的临床研究有不同的看法，Boissonneault 等[5]和Engh 等[6]报道的在ACLD 患者中运用UKA 取得了良好的手术效果和较低的失败率，认为ACLD 并不影响UKA 的手术疗效和假体生存率。Boyd 等[7]和Plancher 等[8]认为不能简单将ACL 缺失视为UKA 的禁忌证，而应综合考虑患者膝关节稳定性和全身情况选择手术方案。目前，尚缺乏生物力学研究对ACL 缺失的UKA 术后运动轨迹和应力分布进行深入研究。本研究建立单髁置换三维有限元模型，比较ACL 完整和缺失条件下关节内的压力峰值变化和位移的变化，评价对手术疗效的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

研究对象为一名健康志愿者，38 岁，男，身高173 cm、体重60 kg，经X 线检查排除患者膝关节肿瘤、退变、感染和创伤等疾病，签署影像学检查知情同意书。

选用牛津第三代活动衬垫假体（Biomet，Warsaw，IN，USA）假体。选用股骨假体：中号，胫骨假体：C，活动衬垫：中号/4 mm。

1.2 主要仪器

128 排螺旋CT（Siemens，德国），采集膝关节骨性轮廓数据，扫描层距0.7 mm。3.0 T 核磁共振（General Electric，美国），选择扫描矢状位3D 质子密度加权成像序列，层厚1 mm，扫描数据以Dicom 格式保存。建模所用软件包括Mimics 14.11、Geomagic 12.0、Hypermesh12.0 和Abaqus 13.0等多个软件系统，完成模型的建立、器械的植入、应力应变的数据处理和计算模型生物力学特性的分析等。

1.3 正常膝关节三维有限元模型的建立

膝关节采用伸直位和屈膝30°、60°、90°和120°不同屈曲体进行扫描，获得膝关节不同屈膝角度下的CT图像数据，从Mimics 软件中所得的数据，数字化获得各层面边界三维空间坐标。采用与扫描数据同一对象的核磁共振成像MRI图像（伸直位），选取人体膝关节的软骨、半月板和相关韧带等的轮廓控制点，提取轮廓，并采用Mimics 软件重建包含内外侧副韧带、前后交叉韧带、骨软骨和半月板在内的膝关节软组织三维实体模型。使用Mimics 软件利用重新建立的人体膝关节骨骼组织和扫描点云进行匹配，将人体膝关节各部分软组织匹配组装在骨骼组织的实体模型上。

导入有限元前处理软件Hypermesh 12.0，对其进行网格划分，对膝关节骨组织、软骨、韧带和半月板按四面体进行网格的划分。膝关节各部分单元数节点数一共包含119 186 个四面体单元。其中股骨模型、胫骨模型、腓骨模型、内侧半月板模型、外侧半月板模型、股骨软骨模型、胫骨外侧软骨模型、胫骨内侧软骨模型均分布被划分为38 672 个、33 271个、3875 个、877 个、656 个、5740 个、1 143 个和1 681 个四面体单元（见图1）。

将获得的立体模块以Abaqus 13.0 文件的格式导出，将有限单元化的几何模型，赋予各部分材料属性，本研究参数依据相关文献资料的研究成果，所有材料均假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料，直接赋予弹性模量和泊松比[9]。膝关节的四条韧带采用多根非线性桁架单元来模拟膝关节的4条主要韧带：外侧副韧带（3 个桁架单元）、内侧副韧带（6个桁架单元）、前交叉韧带（6 个桁架单元）、后交叉韧带（6个桁架单元）（见表1）。

图1 全膝关节无损有限元模型：A.前视图；B.侧位视图；C.后视图

表1 相关材料属性

完全固定胫骨和腓骨的下端，在股骨内外髁中心点上施加y 方向向下的轴向载荷共1 000 N。数值模拟计算结束后，可以获得各种情况下胫骨软骨、股骨软骨和半月板之间的峰值接触压力，并且对其进行对比分析。同时验证模型在胫骨前抽屉作用力下的影响，在股骨后向施加130 N 的载荷，模拟胫骨受到的前向力，即模拟前抽屉载荷实验，计算和分析胫骨的位移角度。

1.4 UKA 三维有限元模型的建立与分析比较

依照Oxford Ⅲ操作指南所示将数字化假体植入膝关节三维有限元模型中[10]。逆向植入过程需注意：在胫骨平台最低点下2 mm 处精确截骨；股骨假体栓在冠状位上与胫骨长轴平行，在矢状位上与股骨长轴平行；胫骨假体在冠状位上与胫骨长轴垂直，在矢状位上与胫骨长轴7°后倾；根据股骨胫骨加载后空间选择衬垫厚度（本研究中为4mm），股骨胫骨角175°。

利用逆向工程软件UG建立膝关节单髁置换假体后的手术模型，采用有限元前处理软件Hypermesh，将模型分割成有限个部分，进行网格划分、材料赋值等操作（见表1）。胫骨和腓骨的下端完全固定，在股骨内外髁中心点上施加y 方向向下的轴向载荷一共1 000 N。在股骨后向施加130 N 的载荷，模拟胫骨受到的前向力，即模拟前抽屉载荷实验。

建立前交叉韧带完整（anterior cruciate ligament intact，ACLI）的UKA 模型（UKA-ACLI）和前交叉韧带缺失的UKA 模型（UKA-ACLD），分别屈膝0°、30°、60°、90°和120°角度，共5 组10 个模型（见图2）。在Abaqus 分析软件中进行计算和分析软骨、半月板、衬垫与假体间的Von Mises 应力及膝关节位移。

2 结果

2.1 正常膝关节有限元模型验证

2.1.1 接触应力验证

内外侧半月板的接触应力分别为2.958 MPa和2.456MPa，内外侧胫骨软骨的接触应力分别为1.880 MPa 和2.569 MPa，股骨软骨的接触应力为2.401 MPa。与文献结果相近[11-15]（见图3）。

2.1.2 位移验证

在130 N 前向力作用下，不同屈膝角度胫骨前移5.50 ～9.3 mm，与文献结果相近[16]（见图4）。

2.2 UKA-ACLI 与UKA-ACLD 比较

2.2.1 最大Von Mises 应力比较

无论在ACLI 和ACLD 的UKA 术后，内侧假体的最大应力要明显高于外侧部位应力，股骨假体在60°位达到应力最大值，胫骨假体在90°位达到应力最大值，外侧股骨软骨、胫骨软骨、半月板、衬垫均在120°位达到应力最大值。在各角度中两组应力无明显差别。两组各部位不同角度应力最大值见表2，两组之间外侧股骨软骨、胫骨软骨、半月板、股骨假体、胫骨假体、衬垫不同角度最大应力值比较见图5。

表2 UKA-ACLI 与UKA-ACLD 不同膝关节屈膝角度各部位应力峰值（MPa）

图5 UKA-ACLI 与UKA-ACLD 不同部位应力峰值比较:A.两组外侧股骨软骨应力峰值比较;B.两组外侧胫骨软骨应力峰值比较;C.两组外侧半月板应力峰值比较;D.两组衬垫应力峰值比较;E.两组股骨假体应力峰值比较;F.两组胫骨假体应力峰值比较

2.2.2 位移比较

UKA-ACLI 在不同角度施加载荷，股骨相对胫骨的位移（前后移位、内外旋和内外翻）基本与正常膝关节相似，仅0°位内翻角度增大。UKA-ACLD 在前后向移位方面，0°和30°位载荷下股骨后方位移要明显大于UKA-ACLI 和无损模型组。在内外旋方面，0°位相比UKA-ACLI 和无损模型组内旋更小而在30°位外旋更大。在膝关节其他屈膝角度前后向移位，内外旋和所有角度的内外翻UKA-ACLD 与UKA-ACLI 相比无明显区别，提示前交叉韧带缺失主要在膝关节伸直位时影响关节稳定性，在膝关节屈膝60°以后对关节稳定性无明显影响。正常膝关节、UKA-ACLI 和UKAACLD 在不同屈膝角度的载荷下前后移位、内外旋和内外翻位移情况见表3。

表3 不同角度载荷下位移情况

3 讨论

UKA 术后膝关节活动时，应力的异常增加和位移增大是导致假体磨损、松动和对侧进展性骨关节炎的重要原因，导致早期假体失效，ACL 的缺失是否导致以上不良影响是研究的关键。诸多研究发现，在标准内侧单髁置换术后，载荷分布更趋向于内侧间室，且最大应力明显增高[6]。在朱广铎等[17]的研究中发现，在膝关节有限元模型中，于股骨施加1 000 N 的应力载荷，内侧间室总载荷由正常膝关节中的55.1%升至单髁置换后的59.7%，正常膝关节中内侧股骨、半月板和胫骨最大应力分别为2.38 MPa、2.55 MPa和2.68 MPa，单髁置换术后股骨假体、衬垫和胫骨假体分别为9.29 MPa、8.41 MPa 和6.14 MPa；外侧股骨软骨、半月板和胫骨软骨在手术前后都维持2.3 ～2.7 MPa 的低应力水平，无显著变化。在Kwon 等[18]的研究中也有相同发现，内侧间室的最大应力明显高于外侧间室。笔者研究结果与上述的研究结果有一定程度的一致性，UKA 膝关节0°位时股骨假体、衬垫和胫骨假体分别为6.07 MPa、4.43 MPa 和2.36 MPa，外侧股骨软骨、半月板和胫骨软骨的最大应力分别为1.15 MPa、1.60 MPa 和1.92 MPa。造成这一结果的可能原因为，标准的单髁置换为术后膝关节轻度内翻，这使得内侧间室总载荷升高；实验中股骨加载载荷，假体材料的弹性模量高，使得股骨假体最大应力明显增高，而活动平台聚乙烯衬垫接触面积大，接触应力更小，传递到胫骨假体的载荷更为分散、均匀；使得衬垫和胫骨假体的最大应力要明显小于股骨假体。在Kwon 等[18]对一个步态周期的UKA 术后有限元分析发现，在膝关节伸直位时关节内各部分应力较小，在步态周期的63%，即膝关节屈膝到60°时应力达到峰值。在本研究中也发现，随着膝关节屈膝角度的增大，膝关节内各部位最大应力增大，在观察部位多在屈膝60°～90°位达到应力峰值。当将假体植入最佳位置时（胫骨假体后倾7°），ACLD 组与ACLI 组比较，各角度不同部位，峰值应力并无明显差别。ACL 功能情况并不导致UKA 术后膝关节的应力变化。

载荷下的位移情况是另一个需要关注的问题。目前，关于膝关节ACLD 的运动轨迹学研究较多，普遍认为ACLD导致胫骨前移和内旋增大，在上楼和下蹲过程中ACL 完整与否对膝关节运动轨迹和动力学影响较大，使膝关节完成动作时间延长，减少了内旋肌力，在膝关节屈曲的起始阶段出现明显的前后向不稳[19-20]。较多的针对内侧活动平台单髁置换术后的运动轨迹研究发现，假体位置合适的UKA 术后与正常膝关节有相似的运动轨迹[18,21-22]。在Pegg 等[23]针对UKA 术后矢状面膝关节运动轨迹分析研究发现，在爬楼和前弓步动作时，ACLD 组在屈膝30°胫骨移位较ACLI 组明显增大，完成动作时间也分别较ACLI 组多30.7%和45.0%，但笔者也认为此程度的运动轨迹变化不会影响中期临床效果。在Suggs 等[24]尸体生物力学研究发现，在膝关节屈膝0°、30°、60°、90°和120°给予股四头肌/腘绳肌400 N/200 N的应力下，UKA-ACLI 和正常膝关节在各屈膝角度前后位移无明显差异，ACLD 组在屈膝0°和30°时，股骨后移要明显大于两组。在旋转和翻转位移，除屈膝0°位ACLI 组胫骨内旋增大，其余各屈膝角度ACLI 组与ACLD 组无明显差别。UKA 术后膝关节屈膝0°和30°位时ACL 承受张力最大，对膝关节稳定性起到重要作用，膝关节屈膝60°位以后，ACL承受张力明显减小，对维持膝关节稳定性作用减弱。笔者认为在固定衬垫假体中，衬垫可提供额外稳定性，推测这样使相应应力增加，加速了衬垫磨损。在笔者的研究中也发现，UKA 术后与正常膝关节，在不同屈膝角度载荷下有相似的位移变化，这与活动衬垫设计，使得衬垫的上下表面分别与股骨和胫骨高度形配有关。ACLD 组在屈膝0°和30°位股骨后移明显增大，股骨内旋减少（0°位），外旋增大（30°位），这因为ACL 的主要功能为阻止胫骨前移和内旋有关。伸直位时ACL 作用最强，随着屈膝角度增大，ACL 作用逐渐减弱，维持膝关节稳定的作用逐渐为关节囊、半月板和其他韧带代替，在屈膝60°以后载荷条件下膝关节各项位移ACLD组与ACLI 组无明显区别。ACL 对UKA 术后稳定性的作用主要体现在膝关节接近伸直位，膝关节各向（主要是前后向）位移增大可能导致假体和外侧间室的磨损加速。

综上，在健康膝关节单髁置换模型中，在膝关节屈膝任何角度，ACLI 和ACLD 模型各观察部位最大应力无明显差别。在屈膝0°和30°位，UKA-ACLD 的前后移位较UKAACLI 明显增大，并出现旋转移位异常。提示ACL 缺失并不会导致UKA 术后应力异常增大，会导致在膝关节伸直位时位移增加，是否会加速假体和对侧间室磨损需进一步研究。