摘要
目的 比较膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)常规截骨、保留圆角截骨及全新扩大圆角截骨方法对术后胫骨近端生物力学特性的影响。方法 基于Sawbones胫骨的CT数据,构建完整胫骨模型及不同截骨方式下UKA术后胫骨模型,采用轴向压缩工况对模型进行有限元分析,比较不同模型间胫骨近端应变情况及骨水泥应力差异。结果 在轴向压缩工况下,扩大圆角组其截骨区皮质骨von Mises应变峰值较常规截骨组与保留圆角组有所增加,而松质骨von Mises应变峰值则分别减少24.3%～42.9%、26.0%～48.7%。对比截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差Δε,发现扩大圆角组其Δε远远小于其余两组。UKA后不同模型间胫骨前内侧皮质骨最小主应变无明显差异,但较完整胫骨模型增加23.3%～34.5%。扩大圆角组骨水泥单元平均von Mises应力随着圆角半径增大呈现下降趋势,且整体均小于常规截骨组与保留圆角组。结论 全新扩大圆角截骨方法可使健康骨质条件下胫骨近端应力传递更均匀,von Mises应变峰值更低,假体-骨界面压强更小,相比传统截骨方法及保留圆角截骨方法更有优势。
关键词:
骨关节炎
膝关节单髁置换术
有限元分析
生物力学
膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)是治疗终末期膝关节前内侧骨关节炎的有效方法。与全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)相比,UKA只需移除少量病变部位,膝关节韧带、本体感觉及大部分骨质得以保留,术后膝关节运动功能更接近自然关节。另外,其假体长期生存率亦表现十分出色 。然而,随着越来越多的患者接受UKA手术,UKA并发症逐渐被认识和报道。David等 分析发现,UKA术后常见的并发症有无菌性松动、假体周围骨折、聚乙烯磨损、膝关节内侧疼痛以及外侧关节病变等。其中,膝关节内侧疼痛和假体周围骨折常导致UKA走向翻修。值得注意的是,疼痛患者进行翻修手术的意愿较假体周围骨折高。Kyung等 对120例UKA患者进行随访,发现其中2例出现严重假体周围骨折并最终接受TKA翻修。针对UKA并发症,有研究发现,传统UKA截骨方法存在设计缺陷,水平截骨与垂直截骨连接处存在严重应力集中;其次,因垂直截骨对术者技术水平要求高,一旦后方皮质截骨过深极易引起术后胫骨平台塌陷以及假体周围骨折 。有限元研究表明,UKA术后胫骨近端应变增加,这将极大影响骨重塑过程,导致胫骨承载能力下降 。为有效避免人为因素造成垂直截骨过深,Chang等 提出保留圆角截骨技术,其力学结果表明圆角截骨后应力集中明显降低,但该技术存在一定局限性:保留圆角截骨使骨床面积减少,进而限制了假体横径尺寸,导致假体-骨界面压强增大。为了解决上述局限性,本研究提出一种新型的扩大圆角截骨技术,同时采用有限元方法比较不同截骨技术对胫骨近端生物力学的影响。
采集Sawbones胫骨模型(left Sawbones, No. 3401, 美国太平洋实验室)CT数据(层厚0.75 mm,层距0.5 mm),共获得连续横断面图像847张,将该CT数据以DICOM格式导入Mimics 14.0(Materialise公司,比利时)中,进行图像处理获得胫骨三维几何模型,以STL格式导出保存。进一步将STL文件加载到Geomagic Studio 2013(Geomagic公司,美国)中进行处理,最终根据模型外表形态曲率构建NURBS曲面并拟合实体,以STP格式输出Sawbones胫骨实体模型。选择第3代牛津单髁系统(Biomet公司,英国)进行三维激光扫描,构建假体数字化模型。
将上述STP文件输入UG NX 14.0(Siemens公司,德国)软件中,以不同的截骨方式对胫骨实体模型进行虚拟截骨操作,再分别与牛津单髁假体数字化模型进行装配,得到3种不同的UKA模型:常规直角截骨、保留圆角截骨以及扩大圆角截骨模型。其中,常规截骨模型参考牛津单髁标准手术技术,在内侧胫骨平台最低点下4 mm,后倾7°进行水平截骨,垂直截骨面与水平截骨面形成尖锐直角,然后在胫骨与胫骨托之间构建1 mm厚的骨水泥层。保留圆角截骨模型则参照Chang等 的设计,截骨前预先钻孔,然后在圆孔的基础上再进一步截骨。而本研究中的扩大圆角截骨模型与保留圆角截骨模型一样,截骨前预先钻孔。但不同的是,扩大圆角以水平截骨面与垂直截骨面的相交处为基准轴进行钻孔,相当于对承载平台进行进一步的扩大(见 图1 )。为了评估圆角半径对UKA的影响,保留圆角截骨组及扩大圆角截骨组设计了1～6 mm的钻孔半径,以1 mm递增。
将上述三维模型导入Hypermesh 14.0(Altair公司,美国)中,采用二次四面体单元(C3D10)对模型进行网格划分。通过网格收敛性分析确定模型的网格尺寸为1.8 mm,在水平截骨面与垂直截骨面连接处以及圆角处,将网格尺寸细化到1.6 mm以获得更准确结果。网格划分完成后输出INP文件,将INP文件进一步导入ABAQUS 6.14(Dassault公司,法国)进行装配、材料赋值。各部件的材料属性如 表1 所示。
分别对胫骨内外侧平台施加1 160 N和870 N压缩载荷 ,载荷方向与胫骨长轴方向一致,载荷作用于关节面中心区域,其中胫骨远端进行约束固定。对于UKA模型,内侧载荷均施加于垫片中心区域 ,胫骨托与垫片、胫骨托与骨水泥、骨水泥与胫骨及胫骨托与龙骨槽之间均设为绑定关系。
将完成前处理的有限元模型提交至ABAQUS Standard求解器中进行计算,提取不同模型中胫骨截骨区von Mises应变峰值、胫骨前内侧皮质骨应力集中区域最小主应变以及骨水泥单元平均von Mises应力。
结合既往文献 ,将完整胫骨有限元模型与文献实验的主应变结果进行对比,通过线性回归分析确定两者之间的整体相关性。 图2 显示了完整胫骨模型有限元应变与文献中实验测量应变之间的线性回归结果,其回归线斜率为1.07,相关系数为0.94,截距为5.41微应变,表明本有限元模型与文献实验模型具有良好的一致性。
3种UKA模型中,胫骨截骨区von Mises应变峰值均出现在胫骨后缘。其中,在皮质骨上,常规截骨组von Mises应变峰值为3.191;而对于保留圆角组,当圆角半径为1 mm时,其von Mises应变峰值为4.435,随着圆角半径的增加,von Mises应变峰值逐渐下降,在圆角半径为6 mm时降低至2.435,比常规截骨组低31%;在扩大圆角组中,von Mises应变峰值在圆角半径1 mm时为4.395,其随着圆角半径的扩大逐渐下降到3.688,但仍然比常规截骨模型增加15.6%,整体较常规截骨模型增加15.6%～37.7%。与保留圆角组相比,扩大圆角组应变下降趋势较缓。随着圆角半径增大,扩大圆角组与保留圆角组应变差值越大(-0.9%～51.5%)。在松质骨上,常规截骨组von Mises应变峰值为8.935,而保留圆角组随着圆角半径的增大,von Mises应变峰值先下降后上升,从最大值11.374下降至7.296,再上升至8。对于扩大圆角组,随着圆角半径的增加,von Mises应变峰值从9.025下降至5.096,比常规截骨模型减小24.3%～42.9%,比保留圆角截骨模型减小26.0%～48.7%(见 图3 )。
图3 不同截骨方式对胫骨截骨区von Mises应变峰值的影响
图4 显示了不同截骨方式下截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差Δ ε peak 。在常规截骨组中,Δ ε peak 为5.744;在保留圆角组,Δ ε peak 最大值为6.939,最小值为3.773,且随着圆角半径增加,Δ ε peak 呈现出先下降后上升的趋势;而在扩大圆角组中,其Δ ε peak 最大值为4.630,最小值为1.408,该结果远小于常规截骨组与保留圆角组。
图4 不同截骨方式下胫骨截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差值
除胫骨截骨区外,所有模型均在胫骨近端前内侧皮质骨上出现应力集中区。其中,在完整胫骨模型中,该区域最小主应变(压应变)为0.455;在常规截骨模型中为0.612;而扩大圆角截骨模型与保留圆角截骨模型最小主应变结果如 表2 所示。与完整胫骨模型对比,UKA术后胫骨近端前内侧皮质骨最小主应变上升23.3%～34.5%。植入UKA假体后,两种不同圆角截骨方式和不同圆角尺寸得到的胫骨模型之间的应变差异不大。
表2 保留圆角组与扩大圆角组胫骨近端前内侧皮质骨最小主应变
在常规截骨组中,骨水泥层单元平均von Mises应力为1.097 MPa;在保留圆角组中,随着圆角半径扩大,应力从1.053 MPa增加到1.159 MPa;与之相反,在扩大圆角组中,应力随着圆角半径的扩大呈现总体下降趋势,在圆角半径为2 mm时平均von Mises应力最大,为1.048 MPa,然后逐渐下降至最低值1.001 MPa(见 图5 )。与常规截骨组相比,扩大圆角组骨水泥层单元平均von Mises应力减少4.3%～9.2%。
图5 不同截骨方式下骨水泥层单元平均von Mises应力
近年来,UKA已成为膝关节前内侧室关节炎患者的重要治疗手段。与TKA相比,UKA术中失血量少、创伤小,术后本体感觉更好,且膝关节功能恢复更快 [18-19] 。但仍有相当部分患者UKA术后出现膝关节内侧持续性疼痛、假体周围骨折或早期假体松动而不得不接受翻修手术 [7,20] 。有学者围绕上述并发症进行研究并发现:传统UKA截骨方法存在固有的设计缺陷,截骨形成的尖锐直角存在显著的应力集中现象,高应力应变条件影响骨-假体界面的稳定性,从而导致假体的早期松动和术后持续性疼痛,而直角截骨更是构成了胫骨平台内侧应力性塌陷的危险因素 [6,9,21] 。UKA的胫骨截骨主要采用髓外定位,垂直截骨时易出现摆据抬高造成胫骨后方皮质骨损伤,这将对胫骨近端的支撑结构造成严重破坏,使得早期发生假体周围骨折并发症的风险显著提高 。对此,Change等 对传统截骨方法进行了改进,截骨前预先钻孔,预留空隙防止垂直截骨过深,避免因手术操作不当造成胫骨后方皮质骨损伤。生物力学研究证实,该预钻孔技术可有效降低UKA术后胫骨平台应变,但其所采用的保留圆角截骨技术不可避免地减少了骨床承载面积,在一定程度上增大假体-骨界面的压强,进而影响胫骨内侧的支撑强度。此外,保留圆角截骨如果半径超过2 mm,将会影响UKA胫骨假体的型号,使得假体横径偏小,从而带来垂直壁撞击活动垫片和增加磨损的风险。为此,本研究提出一种全新的扩大圆角截骨技术用于UKA胫骨侧的截骨优化,并运用有限元分析方法深入评估扩大圆角截骨技术的生物力学特性和安全性。
本文采用Sawbones胫骨有限元模型进行研究,并提取既往文献的实验数据进行模型有效性验证 。验证结果表明,有限元数据与实验数据之间有良好的一致性。进一步研究结果显示,在保留圆角截骨组中,截骨区皮质骨von Mises应变峰值随圆角半径扩大而逐渐下降,且比常规截骨模型降低31%,该结果与既往研究结果基本一致 。对于扩大圆角截骨组,其皮质骨von Mises应变峰值相对于常规截骨组及保留圆角截骨组均有所增加;而在松质骨层面,扩大圆角组显示出较低的von Mises应变结果,比常规截骨组减少24.3%～42.9%,比保留圆角组减少26.0%～48.7%。对比截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差Δ ε peak ,可发现扩大圆角组明显小于常规截骨组与保留圆角组。本文推测,扩大圆角截骨技术使截骨面应力重新分配,皮质骨承载更多应力,有效降低了松质骨的应变,使得整个截骨面应力分配更加均匀。
既往研究显示,UKA假体植入后胫骨近端内侧皮质骨的压应变相对于完整胫骨将增加20%～59%,而不同UKA模型之间的应变结果无太大差异 [8-10,16] ,本研究所得结果与之相符。然而这些研究结果均显示,UKA术后胫骨前内侧皮质骨压应变并未超过4这一文献报道的“痛性”阈值 ,而本文有限元模型无法完全模拟体内复杂的力学环境,模型未包含韧带、肌腱和皮肤软组织结构,故有限元模型得到的术后胫骨内侧皮质骨应变增加的结果在临床上实际是否会引起患者膝关节内侧持续性疼痛尚不明确。近期的研究显示,接受关节置换手术并出现不明原因持续性疼痛的患者,在关节镜下可见膝关节内侧皱襞出现程度不一的磨损及纤维化,这可能是引起患者膝关节内侧持续性疼痛的原因之一 。然而,膝关节镜下内侧松解术对胫骨近端应变的影响仍不清楚,有待后续研究进一步探明。
早期假体松动是UKA术后并发症之一,而假体无菌性松动与假体-骨界面应力分布有直接关系 。本文分析结果显示,对于不同截骨方式下骨水泥层平均von Mises应力,保留圆角组随着圆角半径增大,其骨床承载面积逐渐减小,故平均von Mises应力逐渐增大,金属垫片分载效果下降。与之相反,扩大圆角组随着圆角半径增大,其骨水泥层平均von Mises应力逐渐下降。本文认为,扩大圆角截骨对截骨面进一步扩展,进而导致骨床面积增大,假体-骨界面压强相比保留圆角模型更小,呈现出较为合理的承载模式。
另外,本研究尚存在一定局限性:① 使用Sawbones胫骨模型代替人体胫骨模型来研究UKA的生物力学行为,并未考虑真实人体环境中肌腱和韧带等稳定结构的影响,可能会对结果产生一定的影响,尽管在轴向压缩荷载条件下,这种影响可能并不显著;② 尽管Sawbones胫骨已被广泛应用于预测膝关节假体的性能,其力学特征已得到充分验证,但它仅能代表健康成年人的骨质条件,未能体现出人群的个体化差异;③ 本研究仅采用牛津单髁假体设计,单一的骨质条件及假体设计将影响研究结论的外推,还需要进一步研究不同截骨方式、不同假体、不同骨质以及不同力线条件下的胫骨生物力学特性;④ UKA术后胫骨的力学适应性重塑是受循环动态载荷作用下的一个复杂生理过程,静力学分析并不能反映整个变化过程,构建完整的膝关节动力学有限元模型是本研究的下一阶段工作。尽管如此,本研究在同等的假体植入位置、力学加载参数和网格密度条件下对模型数据进行对比,能够更为有效地控制计算结果的准确度和稳定性,结果具有较强的可靠性和一定说服力。
本研究提出的全新扩大圆角截骨方法可使健康骨质条件下胫骨近端应力传递模式更为合理,骨床压应变更小,相比传统截骨方法及保留圆角截骨方法更有优势,但其临床应用效果仍有待进一步验证。
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