王弢，何云利，张乾，何森，冯哲，边华

天津市北辰医院骨关节科，天津300070

单髁膝关节置换术是治疗年轻膝关节骨性关节炎患者的首选方法，但是长期随访发现术后患者出现各种并发症，其中最常见的是与假体和聚乙烯垫片位置异常相关并发症［1-2］。单髁膝关节置换术后常见的假体位置异常包括内外翻角度异常、胫骨假体后倾角度异常以及股骨假体位置异常［3］。假体位置异常的原因主要与假体材料的选择、医生的技术、术后护理不当有关。在手术过程中医生正确安放假体能有效预防假体位置异常相关并发症，但单髁膝关节置换术中股骨安放位置及胫骨假体倾斜角度仍无定论。目前多数研究采用有限元分析对单髁膝关节置换术中股骨、胫骨假体内外翻角度，胫骨假体后倾角度进行研究［4-5］。KWON 等［6］发现，当活动平台单髁膝关节胫骨假体后倾角度设置为7°时，股骨假体不应过度内翻和外翻，过度内外翻就会对聚乙烯垫片和胫骨平台的应力产生不同的影响，甚至可能会导致远期并发症。股骨假体的位置是影响聚乙烯垫片和胫骨假体寿命的重要因素。但是目前没有对活动平台单髁膝关节股骨、胫骨假体在不同安放位置时，膝关节受到垂直向下的载荷后胫骨平台和聚乙烯垫片的应力变化进行研究。本研究采用有限元分析［7］的方法观察活动平台单髁膝关节置换术中胫骨假体于两个后倾角度、股骨假体于三个位置安放时聚乙烯垫片和胫骨平台应力， 为手术中假体最佳安放位置提供参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象 1 名男性健康志愿者，40 岁，男，身高 180 cm、体质量 75 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。选用嘉思特单间室活动平台单髁膝关节假体系统（嘉思特华剑医疗器材有限公司，天津）。志愿者对实验方案知晓，并签署知情同意书。研究方案经天津市北辰医院伦理委员会批准（KY2020082619）。

1.2 活动平台单髁膝关节假体在不同位置时聚乙烯垫片、胫骨平台的应力观察

1.2.1 膝关节有限元模型的建立 ①膝关节有限元模型的建立：对志愿者左侧膝关节进行伸直位 CT（320排620层双螺旋，联影医疗，中国）及MRI（3.0T，联影医疗，中国）扫描，扫描范围为膝关节上、下10 cm，CT 按照0.6 mm 层厚进行扫描，MRI 按照1 mm 层厚进行扫描，将数据以DICOM格式保存，并导入Mimics中，再区分不同的阈值，进行修复，填补孔洞，最后得到膝关节的骨性结构以及软组织结构，建立健康膝关节的三维模型。将得到的数据以STL 的格式导入Geomagic Studio，进行曲面修补和光滑处理，然后导入Magics 建立各个组织结构的实体模型，将实体模型组装后生成完整的膝关节实体模型，最后将膝关节实体模型数据导入Abaqus中按4面体单元进行网格划分，定义材料属性，设置边界条件、载荷约束条件，最后生成膝关节有限元模型（见图1）。

图1 膝关节有限元模型

参考以往的文献［8-10］结果，将皮质骨、松质骨、软骨、半月板、韧带、钴铬钼合金、高分子聚乙烯的弹性模量分别设为17 Gpa、350 Mpa、15 Mpa、59 Mpa、260 MPa 、19.5 Gpa、850Mpa；泊松比分别为0.3、0.25、0.465、0.49、0.3、0.4。固定胫骨和腓骨上下端，选取双足站立工况对患者进行加载。模拟患者体质量为75 kg，膝关节及以上部分占整个体质量的80%［11-12］。双足站立平均分配体质量，每个膝关节施加垂直向下的载荷为294 N，均匀施加在股骨干界面区域。边界条件设置为将胫骨腓骨的活动固定状态，进行股骨的屈伸活动，而其他方向则不进行约束［13］。②膝关节有限元模型有效性的验证：健康膝关节有限元模型整体节点数为 69 811，单元数为334 222。根据股骨远端的应力云图显示，应力分布主要在股骨内髁，股骨内髁和外髁的最大应力值分别为0.67 Mpa和0.58 Mpa，胫骨内侧平台最大应力值为0.75 Mpa，外侧平台最大应力值为0.5 Mpa，与既往研究结果［11-12］相近。

1.2.2 活动平台单髁膝关节股骨、胫骨假体不同位置有限元模型的建立 将活动平台单髁假体的尺寸数据输入Solidworks 中，建立活动平台单髁假体的实体模型。将活动平台单髁假体和正常膝关节实体模型导入Magics 中，采用布尔运算按照标准单髁膝关节置换手术过程进行模拟操作，建立安装活动平台单髁假体后的膝关节实体模型，将模型数据导入Abaqus 中，按4 面体单元进行网格划分，按照1.2.1中提到的材料属性进行赋值，股骨、胫骨假体与股骨、胫骨之间为绑定接触关系，聚乙烯垫片与股骨、胫骨假体之间为滑动无摩擦接触关系，施加的载荷、边界条件与健康膝关节有限元模型一致，最后生成活动平台单髁假体有限元模型（图2）以及活动平台单髁假体不同位置的有限元模型（图3）。

图2 活动平台单髁假体有限元模型

图3 活动平台单髁假体不同位置的有限元模型

胫骨假体后倾角度设置为0°和7°，将股骨假体安放在股骨内髁中心位置以及内移和外移5mm 的位置，在膝关节屈曲角度为0°、30°、60°、90°时，观察聚乙烯垫片和胫骨平台的应力值大小和应力分布。

1.3 统计学方法 采用SPSS26.0 统计软件。计量资料以±s表示，比较采取单因素方差分析，进一步组间比较采用LSD-t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 活动平台单髁膝关节股骨假体安放在不同位置时膝关节屈曲不同角度的聚乙烯垫片应力值及分布情况 单髁膝关节假体不同位置时膝关节屈曲不同角度的聚乙烯垫片应力值见表1。当胫骨假体后倾角度为0°和7°，膝关节屈曲0°、30°、60°、90°，股骨假体位于股骨内髁外移5 mm位置、中心位置时，聚乙烯垫片应力值比较，P＞0.05；与股骨假体位于股骨内髁内移5 mm位置比较，外移5 mm位置和中心位置时聚乙烯垫片应力值低（P均＜0.05）。股骨假体位于股骨内髁外移5 mm位置时，聚乙烯垫片表面的应力分布均匀；股骨假体位于股骨内髁中心位置时，应力分布在聚乙烯垫片表面四周；股骨假体位于股骨内髁内移5 mm位置时，聚乙烯垫片表面的应力呈现不规则分布。

表1 单髁膝关节假体不同位置时膝关节屈曲不同角度的聚乙烯垫片应力值（MPa）

2.2 活动平台单髁膝关节股骨假体安放在不同位置时膝关节屈曲不同角度的胫骨平台应力值及分布情况 单髁膝关节假体不同位置时膝关节屈曲不同角度的胫骨平台应力值见表2。当胫骨假体后倾角度为0°和7°，膝关节屈曲0°、30°、60°、90°，股骨假体位于股骨内髁外移5 mm 位置、中心位置时，聚乙烯垫片应力值比较，P＞0.05；与股骨假体位于股骨内髁内移5 mm 位置比较，外移5 mm 位置和中心位置时聚乙烯垫片应力值低（P均＜0.05）。胫骨假体后倾0°和7°时，股骨假体安放在外移5 mm 时，胫骨平台在内外侧的分布比较均匀；股骨假体内移5 mm 时，应力分布主要在胫骨平台内侧；股骨假体在中心位置时，应力分布在胫骨平台内外侧。

表2 单髁膝关节假体不同位置时膝关节屈曲不同角度的胫骨平台应力值（MPa）

3 讨论

作为替代全膝表面置换术治疗膝关节骨性关节炎的方法之一，单髁膝关节置换术成为一种更为普及的治疗方法［13］。这种治疗方法既能增加患者术后的满意度，又能使患者在术后获得较为理想的效果，尤其对于年轻的患者，其膝关节的功能得到最大限度的保留［14］。单髁膝关节置换术对于假体位置异常的容错率较低，因为位置的异常会导致假体远期出现松动，聚乙烯垫片磨损加重，外侧间室过早出现退变，严重时会出现垫片的脱位、甚至是假体周围骨折，出现这种情况会需要进行二次手术进行翻修［15］。马鹏程通过有限元分析主要针对固定平台单髁膝关节股骨假体的内外翻角度和胫骨假体后倾角进行研究，但是没有对活动平台单髁膝关节股骨假体在股骨内髁的位置进行相关的研究［16］。手术医师在利用Mako骨科机器人进行术前规划时，会建议可以适当调整假体在股骨内髁的横向安放位置［17-18］。虽然可以借助机器人来进行假体位置的精准化安装，但是并没有对准确的安放位置进行说明。我们进行这项实验的目的就是利用有限元分析对活动平台单髁股骨假体在股骨内髁不同的位置并结合胫骨假体后倾角度变化所产生的对聚乙烯垫片和胫骨平台的应力变化进行分析和比较，探讨可能对垫片以及胫骨近端骨皮质造成的影响，也能为今后提高术中假体安放精确性提供参考。

我们通过实验发现，在胫骨假体后倾0°和7°时，不论膝关节的屈曲角度如何，当股骨假体的位置内移时对聚乙烯垫片和胫骨平台产生的应力值最大，这说明随着股骨假体位置的内移，无论胫骨假体后倾角度是否变化，聚乙烯垫片和胫骨平台产生的应力都呈现增加趋势，这个结果与DAI 等［19］进行的实验结果一致。我们还发现，随着胫骨假体后倾角度增加，胫骨平台的应力值也是增加的。分析其原因可能是在股骨假体内移后，应力增加和应力集中的区域发生了变化，进而传导给胫骨平台周围骨皮质；同时人体下肢力线为轻度内翻，单髁置换手术不能完全纠正内翻，如果股骨假体内移后可能会刺激内侧副韧带，造成内侧副韧带局部的张力增加，这样远期可能会出现内翻加重的情况。在胫骨假体后倾角度增加时胫骨平台会出现表面受力集中的情况，这样受力的角度会发生变化，导致应力值增加。

解决单髁膝关节表面置换术早期失败可以通过改善假体设计、手术技术、做好患者的选择和调整假体位置等方法来实现［20］。CLARIUS 等［21］在牛津单髁表面置换中研究了定位和临床结果之间的相关性，他们发现，与以前调整股骨假体内外翻以及屈伸位置所带来的影响相比，适当调整其在股骨内髁的内外位置更能使假体具有较长的使用寿命。此外，JAFFRY 等［22］对通过使用传统器械、机器人辅助的和使用定制器械进行单髁膝关节置换术后假体位置的精确度进行比较，发现股骨假体在股骨内髁的内外移动所带来的变化是相对比较明显的，但是手术医生在术中很难将股骨假体安放在股骨内髁的中心位置，这可能和股骨内髁的解剖形态有关，未来可以通过收集不同人群的影像学资料，来设计更多型号的假体。HURST 等［23］通过研究发现，股骨双柱假体和单柱假体在影像学相比较上更加合理，同时更能够安放在合理的位置。在国内，我们经过长时间的临床验证以及实验室的研究发现股骨双柱假体更加适用于国人。KOH 等［24］报道，单髁膝关节置换的微创器械可以将股骨和胫骨假体放置在更匹配的位置，这样能够降低术后垫片脱位率。

在单髁膝关节置换术中，胫骨假体后倾角度可以影响膝关节的稳定性，还会影响聚乙烯垫片的磨损情况、膝关节外侧间室退变的情况［25-26］。胫骨假体后倾角度的增加会导致膝关节屈曲角度增加以及加深假体后滚程度。有研究［27］发现，胫骨假体后倾角度为10°时能够获得比较理想的膝关节功能，随着后倾角度的不断增加，会出现活动平台单髁假体垫片磨损加重的情况。我们的实验也发现胫骨假体后倾角度增加后会出现胫骨平台和聚乙烯垫片应力数值略有增加，与PARK 等［28］的研究结果相似。在膝关节屈曲过程中，垫片也会随着移动；随着胫骨假体后倾角度增加，后交叉韧带的功能逐渐减弱，假体和龙骨槽的接触角度也会出现减小，这样力量就会出现集中；随着后倾角度的增加，胫骨侧墙的受力面积也是增加的，所以要注意避免出现胫骨假体后倾角度超过7°的情况。

综上所述，活动平台单髁膝关节置换术中股骨假体安放在股骨内髁中心和轻度外移的位置，胫骨假体的后倾角度控制在0°～7°时，聚乙烯垫片和胫骨平台的应力值最小，应力分布均匀。但本研究有一定局限性：首先，我们仅选择1 个受试者和1 个假体产品进行实验，这样做的优势在于实验不受体质量、身高、骨骼形状、韧带特性、组件尺寸等变量的影响，但是会缺少使用其他个体和假体的进行实验后得到的数据。第二，我们对可能发生在胫骨假体、股骨假体和聚乙烯垫片之间的微动没有考虑。第三，我们只进行静态下膝关节不同屈曲角度的实验，没有进行动态实验。