全膝关节置换术后髌股关节生物力学及临床研究

摘要

本文首先建立人体膝关节计算模型，在此基础上模拟全膝关节置换术，以期分析股骨假体旋转技术和髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节的影响。另外，进行前瞻性随机化研究比较全膝关节置换中髌骨置换与否的临床结果。基于此目的，以及工作包括以下几部分： 第一部分人体膝关节三维物理模型建立及其有效性验证。 目的：根据膝关节的CT和MRI扫描图像，建立人体膝关节的三维物理模型，以计算髌股关节运动学参数，并验证其有效性。 方法：根据膝关节CT、MRI扫描图像，利用图像处理和转换技术，运用CAD分析软件及由下而上的点、线、面、体建模原则，重建膝关节三维物理模型，并定义对髌股关节起重要作用的股四头肌、韧带及其他软组织为非线性弹性纤维束，并以股四头肌力为控制变量，模拟膝关节伸膝运动。 结果：建立了一个有效的包括半月板、软骨、韧带和骨骼在内的膝关节三维物理模型。通过模型计算膝关节的部分运动学和力学参数，与文献中实验数据进行比较，结果表明该模型有效。 结论：本研究基于CT和MRI所建立的膝关节三维物理模型，能逼真地反映膝关节的真实几何结构，可有效地计算髌股关节运动学参数。 第二部分全膝关节置换术中股骨假体旋转对线对髌股关节生物力学的影响。 目的：研究全膝关节置换术后髌股关节的生物力学。着重研究全膝关节置换术中股骨假体旋转对髌骨轨迹和髌股关节接触压力的影响。 方法：利用验证的膝关节仿真模型按照下面位置虚拟地植入股骨假体：(1)中立位平行于股骨上髁轴，(2)内旋1°、2°，(3)外旋1°、2°。计算每种股骨假体位置的髌骨三维运动轨迹和髌股关节接触压力。 结果 (1)股骨假体相对于股骨外科上髁轴内、外旋使髌骨的旋转角及倾斜角波动更大。(2)股骨假体内、外旋变化对髌骨在X方向上的位移有明显影响，股骨假体外旋，髌骨在X方向上的位移增大，反之亦然。(3)股骨假体内旋使主动伸膝阶段的髌股关节压力(PFCF)明显增大，股骨假体外旋PFCF降低。 结论：股骨假体位置主要影响髌骨轨迹，股骨假体外旋可能导致髌骨半脱位，股骨假体内旋导致髌股关节接触压力增大，可导致髌股关节并发症。 第三部分髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节生物力学的影响。 目的：研究全膝关节置换术中髌骨置换技术，着重研究髌骨厚度和髌骨切骨不对称对髌股运动学和接触特性的影响。 方法：采用人体膝关节仿真模型模拟标准的全膝关节置换术，然后分别模拟髌骨增厚1mm、2mm，减少1mm、2mm和髌骨内、外倾各1°、2°。分别计算各种情况下髌骨三维运动轨迹和髌股关节接触压力。 结果： (1)在整个仿真过程中，髌骨厚度越大，髌骨倾斜角度越大，反之亦然。 (2)屈膝超过60°后，髌骨厚度越大，其旋转角越大。 (3)髌骨越厚，髌股关节接触压力越大。 (4)髌骨厚度变化对髌骨在X、Y和Z方向上的位移无明显影响。 (5)髌骨厚度增大时，PT/QT值变大，反之亦然。 (6)髌骨内、外倾对髌骨旋转角及倾斜角有明显影响。 (7)髌骨外倾使髌骨在X方向上位移增大，反之亦然；而对Y、Z方向上的位移无明显影响。 (8)在主动伸膝阶段，髌骨外倾使PFCF值增大；在自然屈膝阶段，髌骨内、外倾使PFCF值增大。 (9)在自然屈膝后期及主动伸膝阶段，当髌骨外倾时，PT/QT值异常增大，反之亦然。 结论：在进行全膝关节置换时，髌骨置换技术应尽量恢复髌骨置换前的厚度，避免不对称切骨。 第四部分全膝关节置换术中髌骨置换与否的比较研究。 目的：对60例膝关节骨性关节炎患者进行前瞻性、随机化研究，比较全膝关节置换术置换髌骨和未置换髌骨临床结果的差异。 方法：2002年1月～2002年12月60例(60膝)行初次全膝关节置换术的骨性关节炎患者进行前瞻性、随机化研究。所有患者接受相同的后叉韧带替代型全膝关节假体(PFC)，患者随机置换或不置换髌骨，平均随访54月(48～60月)，进行临床评价，包括KSS评分、膝关节活动度、患者满意度和X线检查。 结果：KSS总评分(p=0.12)、KSS疼痛评分(p=0.90)、患者满意度(p=0.22)，两组术后膝前痛的发生率均为10％，两组无明显差异。ROM(p=0.028)，KSS功能评分髌骨置换组与髌骨未置换组有统计学差异(83.8，72.2，p=0.0098)。 结论：全膝关节置换术不论是否置换髌骨均能明显减轻疼痛和改善功能。术后膝前痛可能与假体设计和手术技术有关，与是否置换髌骨无关。对于膝关节骨性关节炎全膝关节置换时决定是否置换髌骨必须根据医生的训练和经验以及术中髌股关节评价进行个性化选择。假体设计和手术技术是全膝关节置换成功的主要因素。根据本研究结果，骨性关节炎患者进行全膝关节置换时如果选择与自体髌骨匹配的股骨假体，可不置换髌骨，全膝关节置换中最重要的是精确而正确的手术技术。

目录

论文说明：缩略词表

声明

研究背景

第一部分人体膝关节三维物理模型建立及其有效性验证

前言

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第二部分全膝关节置换术中股骨假体旋转对线对髌股关节生物力学的影响

前言

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第三部分髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节生物力学的影响

前言

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第四部分全膝关节置换术中髌骨置换与否的比较研究

前言

资料与方法

结果

讨论

参考文献

结论

文献综述一全膝关节置换术中髌骨的处理

文献综述二影响全膝关节置换术后髌股关节功能的因素

在读期间的科研成果

致谢