摘要
目的 评估人工踝关节INBONE Ⅱ和INFINITY全踝关节置换术(total ankle arthroplasty,TAA)后生物力学特征差异,为患者提供更加科学和个体化的治疗选择。方法 基于骨肌(musculoskeletal,MSK)多体动力学(multibody dynamics,MBD)软件AnyBody,建立患者个体化TAA下肢MSK MBD 模型。预测踝关节接触力、踝关节运动和人工踝关节关节面接触特征。结果 人工踝关节关节面几何形状对踝关节接触力没有显著影响,但会对活动度和关节面接触特征造成影响。相比于INBONE Ⅱ,INFINITY 冠状面关节面弧高较低,内翻-外翻和外旋-内旋运动分别增加7.91%和2.61%;矢状面匹配度较低,后移-前移和下移-上移运动分别减小 21.75%和21.23%,内移-外移运动增加 49.26%;INFINITY匹配度较低,内侧、外侧和总关节面接触面积分别减少18.48%、30.42%和26.36%,但接触压力中心运动轨迹集中在距骨组件边缘内侧,避免边缘接触应力集中,降低关节脱位和胫骨衬垫过早磨损的风险。结论 INFINITY型人工踝关节更小的几何限制,表现出更好的生物力学性能,更有利于恢复术后踝关节运动功能。
关键词:
人工踝关节
全踝关节置换
骨肌多体动力学
生物力学特征
踝关节是人体中复杂的复合关节,连接腿部胫骨和腓骨与足部距骨,承受来自全身复杂的高负荷,最大受力达到自身体重的6倍 。终末期踝关节关节炎是一种严重的致残性疾病影响患者的日常生活活动能力 。传统的治疗方法是踝关节融合术,但它限制了踝关节的运动,可能造成邻近关节退变和足部疼痛 。随着医疗水平的发展,全踝关节置换术(total ankle arthroplasty,TAA)成为一种新的治疗选择。
踝关节置换手术在欧美逐渐普及,而我国尚处于起步阶段。随着理念传播和多款踝关节假体引入,我国踝关节置换术正蓬勃发展。目前,全球市场上有20余种踝关节假体,其中,INBONE Ⅱ和INFINITY假体在我国应用广泛。已有研究对这两款假体的临床效果进行深入分析。李嘉等 回顾性分析国内58例置换INBONE Ⅱ假体患者,发现在中、重度内翻患者中可获得良好临床及影像学结果。Wu等 对64例置换INFINITY假体患者随访,发现患者在疼痛和功能方面均有显著改善,生存率高,且并发症发生率低。此外,Zhang等 结合骨肌(musculoskeletal,MSK)多体动力学(multibody dynamics,MBD)模型和有限元分析,评估INBONE Ⅱ、INFINITY和一种新型解剖踝关节植入物在3名患者生理行走步态下的差异,发现INFINITY踝关节活动范围比INBONE Ⅱ踝关节活动范围大,骨植入物界面微动更小。然而,回顾性分析仅能揭示两种假体对疼痛和功能评分的影响。Zhang等 对INBONE Ⅱ、INFINITY两种假体总关节接触力和踝关节3个自由度运动(跖屈-背屈、外旋-内旋、后移-前移)的差异开展研究。然而,其他生物力学特征同样是评估两种假体的关键因素。为深入解析INBONE Ⅱ和INFINITY人工踝关节的差异,本文扩展分析范围,包括内外侧关节接触力、总关节接触力、踝关节6自由度运动(跖屈-背屈、内翻-外翻、外旋-内旋、后移-前移、下移-上移和内移-外移)、人工踝关节关节面接触面积以及距骨组件接触压力中心(center of pressure,COP)运动轨迹。
本文利用AnyBody骨肌建模系统,构建个体化TAA下肢MSK MBD模型。通过与现有文献数据比对和验证,确定模型的可行性。从踝关节接触力学、踝关节运动学和人工踝关节关节面接触表面关键接触特征多个角度入手,综合评估INBONE Ⅱ和INFINITY型踝关节假体的生物力学特征。研究结果为踝关节置换手术患者提供更加科学和个体化的治疗选择,以及为医生开展踝关节置换手术提供有益的经验和参考。
采用1名成年女性(身高172 cm,体质量80.85 kg,左脚行TAA)的相关实验数据进行建模和后续研究。Zhang等 在步态实验室测得的数据包括步态标记运动轨迹、地面反作用力C3D文件、植入的人工踝关节数据。由于Zhang等 采用拼接方式获得胫骨模型,很难保证两段骨骼中性对齐,导致误差较大,故本文采用正常人 (身高157 cm,体质量88 kg)胫骨CT,保证骨骼完整性。
使用的人工踝关节INBONE Ⅱ (胫骨组件,型号220252902,36 mm×26 mm×7 mm;距骨组件,型号220220902,34 mm×33 mm×10 mm)和INFINITY (胫骨组件,型号33680001,34 mm×26 mm×5 mm;距骨组件,型号33680021,34 mm×33 mm×10 mm)接触面内侧和外侧采用对称设计。在SolidWorks 2022中测量两种假体接触面曲率半径和弧高,INBONE Ⅱ假体冠状面和矢状面的半径均为20 mm,冠状面胫骨组件接触面弧高为4 mm。INFINITY假体冠状面内、外侧接触边界半径均为20 mm,矢状面胫骨组件半径为20 mm,距骨组件半径为18 mm,冠状面胫骨组件接触面弧高为3.55 mm。两个假体形态学差异表现在两个方面:① 矢状面关节面匹配度差异,匹配度是指踝关节矢状面和冠状面上胫骨假体承载面曲率半径和距骨假体承载面曲率半径之间的比,比值越接近1,匹配度越高。INBONE Ⅱ接触面距骨组件和胫骨组件的半径配对相同,匹配度更高; ② 冠状面胫骨组件接触面弧高差异,相比INFINITY假体,INBONE Ⅱ的胫骨组件圆弧最高点高出0.45 mm(见 图1 )。
图1 INBONE Ⅱ和INFINITY型假体形态学特征
将胫骨CT图像导入Mimics 21.0软件处理,获得胫骨三维模型并以 STL文件格式导出;将STL 格式骨骼三维模型导入Geomagic Wrap 21.0中,完成三维骨骼模型优化。基于Zhang等 的建模方法,运用MSK MBD软件AnyBody 7.3建立个体化TAA下肢MSK MBD模型(见 图2 )。采用模型库通用下肢MSK MBD模型Plug-in-simple作为基础,根据患者个体特征进行骨骼肌肉相互匹配的个体化缩放。在3-matic中分别在胫骨上选取对应骨性标记点,通过线性仿射变换和3次谐波径向基缩放,实现患者胫骨缩放,确保缩放后的骨骼模型与患者CT骨骼几何形状和空间位置完全一致的特性,其余体节根据患者身高、体重和标记点(marker)位置采用长度-质量-脂肪缩放定律进行缩放。为了保持踝关节在步态周期中的稳定性,引入9组一维非线性弹簧元件,在Geomagic Wrap 21.0中确定韧带起止点位置坐标,在AnyBody 7.3中建立弹簧模型,取代传统的韧带模型 [12-13] 。根据INBONE Ⅱ 和INFINITY 踝关节假体制造商提供的手术指南,在SolidWorks中模拟截骨过程,然后将截骨后的骨骼导入模型中,并将假体放置在相应的位置。基于Anderson等 提出的力依赖运动学原理去除原有关节铰链结构,建立踝关节6自由度运动接触模型。根据力渗透体积计算法 将距骨组件分成内外侧两部分,以计算关节的内外侧关节接触力,计算公式如下:
式中: F 为假体表面接触力; A v 为单位接触面积; d v 为单位面积上的穿透深度; n v 为法向量。 P 为接触压力模量(pressure module),用于拟合非线性UHMWPE的实验数据。参考Fregly等 研究,采用弹性基理论方程对踝关节小变形接触计算,推导出接触压力模量 [8,17] :
式中: p 为接触压力; v 为泊松比; h 为衬垫厚度。基于UHMWPE材料实验应力、应变分布数据 , ε 0 =0.059 7, p 0 =18.40 MPa, n =3。步态周期中衬垫平均接触应力 p =6.90 MPa [8,18] 。因此,踝关节假体UHMWPE胫骨衬垫和CoCrMo距骨组件 P =64.8 GN/m 3 。
COP考虑每个穿透点处的接触面积和力向量权重,已被用于研究膝关节置换后在行走过程中体内假体接触位置和运动趋势 。在AnyBody建模环境中人体是相对于全局坐标系定义的,同样COP也采用全局坐标,导致模型计算的关节表面运动轨迹不直观。因此,需要将全局坐标系下的COP转换到距骨组件接触表面的局部坐标中。通过坐标复合变换,包括旋转变换和平移变换:
式中: A P 为全局坐标; B P 为局部坐标; 为相对于全局坐标的旋转矩阵; A P Bo 为局部坐标系相对于全局坐标系的位置。
在AnyBody中可以获得空间点全局坐标 A P 、局部坐标系相对于全局坐标系位置 A P Bo 和旋转矩阵 可以推导出空间点在局部坐标系下的坐标:
基于MSK MBD模型输出距骨组件内外侧COP空间位置信息,在Python中编写坐标变换程序,求解出空间点在距骨组件局部坐标系下的位置坐标。然后将数据导入SolidWorks中在距骨组件表面绘制COP运行轨迹。
目前尚缺乏直接获取TAA后患者体内踝关节接触力和关节运动实际情况的相关研究。为了验证模型的可靠性,本文采用Zhang等 MSK MBD模型(Zhang等 模型已经通过与相关文献对比验证,发现模型预测值与文献报道结果有较好的一致性。通过建立足地接触模型,发现模型地面反作用力和力矩预测值与实验测量结果基本一致,间接性验证TAA模型)的输入条件,包括同一患者步态数据、INBONE Ⅱ型踝关节假体以及正常人胫骨CT数据。结果显示,模型预测值和Zhang等 的变化趋势一致(见 图3 )。本文主要针对20%～60%步态周期范围(手术左腿从脚跟接触地面到脚尖离开地面),引入最大绝对误差百分比(maximum absolute percentage error,MAPE)量化研究模型差异。内侧接触力和内移-外移MAPE分别是14.06%和17.15%差异较大,其他参数MAPE表现良好(都小于10%)。本文认为,造成模型差异的原因如下:① 在患者胫骨缩放过程中,骨性标记点选取存在细微误差,导致缩放后胫骨空间位置和几何形状有差异; ② 韧带位置参数,主要是通过观察踝关节韧带解剖结构和文献报道,韧带位置不准确,影响踝关节运动平衡; ③ 患者步态数据中标记点粘贴位置和AnyBody软件中的位置存在误差,这也是逆动力学分析的痛点。总体而言,本文模型预测值和Zhang等 的结果具有很好的一致性,完成本研究模型验证。
两种踝关节假体的总接触力差异较小,都在步态周期的前50%缓慢上升,到50%处达到最大值后快速下降;相比于INBONE Ⅱ型假体,INFINITY假体内侧接触力在50%处减少14.79%;外侧接触力在50%处达到最大值增加4.91%(见 图4 )。
图4 置换INBONE Ⅱ和INFINITY后踝关节接触力
植入人工踝关节后,踝关节旋转运动和平移运动包括跖屈-背屈、内翻-外翻、外旋-内旋、后移-前移、下移-上移和内移-外移。 图5 结果显示,两种假体背屈-跖屈运动趋势重合。INBONE Ⅱ和INFINITY内翻-外翻运动范围分别为2.93°(-0.15°～2.78°)和3.14°(-0.14°～3.00°),正常踝关节内翻-外翻运动最大达到8.15° [1,8] ;外旋-内旋运动范围分别为3.86°(-0.03°～3.83°)和3.96°(-0.03°～3.93°),正常踝关节外旋-内旋运动最大达到7.82° [1,20] 。后移-前移运动范围分别为6.52 mm(0.42～6.94 mm)和4.81 mm(0.62～5.43 mm),正常踝关节后移-前移运动范围3.00 mm ;下移-上移运动范围分别为2.64 mm(0.61～3.25 mm)和2.37 mm(0.19～2.56 mm),正常踝关节下移-上移运动范围2.00 mm ;而且都在步态周期的50%处达到最大值,相较于INBONE Ⅱ,INFINITY内翻-外翻增大7.91%,外旋-内旋增大2.61%,后移-前移减小21.75%,下移-上移减少21.23%。对于内移-外移运动,在25%～57%步态周期内,INFINITY外移运动大于INBONE Ⅱ,在步态周期的50%处达到最大差异49.26%。
图5 置换INBONE Ⅱ和INFINITY后踝关节6自由度运动
对植入人工踝关节INBONE Ⅱ和INFINITY后,衬垫与距骨组件接触表面关键接触特征进行分析,其中包括关节面接触面积以及距骨组件表面COP运动轨迹。结果显示,INBONE Ⅱ和INFINITY型假体内侧、外侧和总接触面积趋势上保持很好的一致性,INBONE Ⅱ的接触面积都大于INFINITY型假体,而且关节面的外侧接触面积都大于内侧接触面积;相较于INBONE Ⅱ,INFINITY内侧接触面积、外侧接触面积和总接触面积在50%处分别减少18.48%、30.42%和26.36%。INBONE Ⅱ和INFINITY外侧COP运动轨迹都靠近前侧,且局限于很小的区域;INBONE Ⅱ内侧COP运动轨迹更靠近边缘;两种假体内侧COP运动轨迹都集中在中部;假体两侧运动轨迹都不相同(见 图6 )。
假体关节面几何形状对踝关节总接触力影响不显著,但对内侧和外侧接触力有一定影响,因为踝关节总接触力主要受步态数据、肌肉强度以及受试者本身特点决定。内侧接触力在50%步态处的差异较明显,可能是因为INFINITY外翻运动比INBONE Ⅱ大;外侧接触力有细微差异,由于踝关节关节力分配,导致INFINITY型假体较大。
背屈-跖屈运动是由受试者步态数据获得,作为MSK MBD模型的输入数据,并无变化。在冠状面,两种假体接触面匹配度相同,故两种假体内翻-外翻和外旋-内旋运动有较小差异,但是INFINITY冠状面弧高较低,有利于提高踝关节旋转活动度,而且旋转活动度范围更接近正常踝关节 [1,20] ,更有助于患者恢复。后移-前移的差异较大,在50%步态周期处达到20.75%,由于INFINITY距骨组件在矢状面的匹配度比INBONE Ⅱ小,在运动过程中增大接触点切向力水平分量,有效地降低后移-前移运动;下移-上移运动趋势相似,但是INFINITY的运动趋势整体下移,在50%处最大值差异21.23%,由于在圆弧上运动,后移-前移运动减小,同时下移-上移也相应变化,但INFINITY后移-前移和下移-上移运动更接近正常踝关节运动范围 。INFINITY内翻-外翻和外旋-内旋运动在25%～57%步态周期内比INBONE Ⅱ大,INFINITY的弧高较低会降低假体内外移的阻力,故在50%步态周期处内移-外移运动达到最大差异49.26%,但在正常踝关节运动范围内 ,降低造成脱位的风险。
INBONE Ⅱ比INFINITY的接触面积大,是因为INBONE Ⅱ匹配度较大,虽然较大的接触面积可以降低胫骨衬垫关节面接触应力,但是也导致INBONE Ⅱ假体更大的截骨区域 。从COP运动轨迹可以发现,INBONE Ⅱ距骨组件内侧接触区域集中在中部边缘,边缘接触区域曲率较大容易造成应力集中,这也可能是造成INBONE Ⅱ磨损比INFINTY大的关键因素 ,而且有一部分运动轨迹脱离距骨组件容易导致脱位。然而INFINITY距骨组件内侧接触区域集中在中部,曲率较小可以有效分散接触力,而且都集中在距骨组件内侧不易造成脱位;在20%～60%步态周期内,外侧接触力大于内侧接触力,导致外侧活动范围小于内侧(即接触力较小的位置受到接触力较大位置周围运动限制)。因此,两个假体外侧COP轨迹局限于前侧较小区域内。而且踝关节运动经历从背屈运动缓慢增加到迅速减小的过程,后移-前移运动也显示出向前移动增加的趋势。同时,内旋运动贯穿整个步态周期。因此,内侧COP运动轨迹集中在假体中部,外侧COP运动轨迹则集中在距骨组件前侧,外侧主要出现前方接触,内侧主要在中部发生接触。INBONE Ⅱ和INFINITY的内外侧距骨组件COP运动轨迹不是对称分布 以及关节面外侧接触面积都大于内侧接触面积,原因是INBONE Ⅱ和INFINITY都采用对称设计与踝关节解剖形状有较大差异 ,踝关节解剖形状为距骨内侧髁半径大于外侧髁半径,且距骨内侧髁顶点高于外侧髁顶点。
综上所述,人工踝关节假体关节面几何形状对关节接触力影响不显著 。但是由于两种假体都采用对称设计 ,导致内侧接触力小于外侧接触力。INFINITY在关节运动上表现更好,冠状面较低的弧高能增加旋转运动,更符合自然踝关节的运动;矢状面更低的匹配度,能有效降低关节平移运动,更接近文献预测范围。虽然INFINITY接触面积上表现不好,但是在胫骨远端和距骨的截骨量减少,胫骨前侧皮质破坏减小 ;而且INFINITY的COP内侧运动轨迹更合理,避免边缘接触应力集中,降低脱位和磨损的风险。总之,INFINTY的生物力学特性更好,更有利于恢复术后踝关节运动功能。Jamjoom等 研究认为,INBONE Ⅱ更适用于踝关节置换后的翻修手术。
尽管建立的MSK MBD模型从假体的形态学特性角度出发,比较INBONE Ⅱ和INFINITY型假体的生物力学特性,但本研究仍然存在局限性:① 仅采用1位患者正常行走时的步态数据作为MSK MBD模型的输入数据,采用正常人胫骨替代患者胫骨也会对模型预测值造成微小误差,对模型预测结果的解释缺乏统计学意义。因此,在后续研究中,将采集更多受试者步态数据以及更多日常活动的步态数据,使研究更加具有可靠性与全面化。② 由于获取踝关节假体置换后患者体内踝关节的生物力学相当困难,故模型的验证采用文献中相关报道数据进行对比。但是,所建立的模型仍具有一定的可靠性。③ AnyBody软件只能分析两种踝关节假体几何特征对生物力学特性的影响,未来的工作将借助有限元模型和实验分析,深入研究这些几何特征对假体接触面接触应力和磨损的潜在影响。
本文建立TAA个体化患者下肢MSK MBD模型,通过与文献数据对比验证模型的可靠性;预测INBONE Ⅱ和INFINITY型踝关节假体形态学匹配度和弧高差异,对踝关节接触力、踝关节运动以及假体关节面接触面积和COP运动轨迹造成的影响。结果表明,INFINITY型踝关节假体更有利于恢复术后踝关节运动功能。本文方法和模型还可以用于TAA过程中辅助患者选择适配的人工踝关节假体。
作者贡献声明： 王闯负责骨肌多体动力学模型建立、数据处理与分析、论文撰写及修改;张小刚和张延伟负责课题设计、指导模型建立、论文审校;靳忠民负责论文审校。
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张延伟 2,3 
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