固定平台和活动平台膝关节假体生物力学、步态分析及临床意义研究

摘要

研究背景和目的：
　　膝关节是人体中结构最大、最复杂的一个负重关节，退行性改变直至骨关节炎的发生在临床上十分常见，当膝关节出现严重病损时，全膝关节置换是一种有效的手术治疗方法。从上世纪60年代开展至今的全膝关节置换已经日趋成熟，膝关节假体无论从设计、材料、工艺上都有着长足的进步。随着全膝关节置换手术的大量开展，膝关节假体的相关研究日益受到关注。大量研究力求不断完善并使膝关节能更加符合人体生物力学特性，延长假体有效生存时间。在膝关节假体设计中，假体活动自由度和假体接触面之间的应力始终是一对矛盾，兼顾假体的运动学特性和关节面应力是膝关节假体设计的难点，也是膝关节假体从固定平台设计到活动平台设计的重要依据。
　　在目前临床使用膝关节假体中，主要根据西方人解剖学数据设计，是否与中国人的解剖特点相符合至今尚无充分证据。膝关节多采用组配式设计，从而允许在根据实际骨骼的解剖情况，选择不同型号股骨和胫骨假体进行组配，目前还没有数据支持这种不同型号间假体组配是否科学。不少研究者提出由于当今使用的膝关节假体在体内运动模式极其复杂，包括股骨髁矢状面相对于胫骨向后移动、水平面的旋转活动以及冠状面的内外翻活动等一系列复合的三维空间运动，所以单纯从解剖学或体外力学等角度研究存在一定的局限性，需要在假体植入后进行相关的临床动力学研究。
　　基于以上原因，本文将采用解剖学分析、假体生物力学分析、临床步态分析的方法，针对目前膝关节假体二大设计主流，即固定平台和活动平台假体，分析比较两种类型假体解剖匹配度、假体表面应力及采用上述假体置换术后的关节运动学和动力学功能的差异，为临床膝关节假体的选择及其术后疗效的预测提供指导性理论依据。
　　研究方法：
　　（一）膝关节骨关节炎关节面与假体配件间匹配度的测量和分析
　　入组的膝骨关节炎患者，共179例，324膝。利用64排螺旋CT扫描患者膝关节，层厚1.25mm。利用Mimics软件对膝关节进行三维重建，同时利用Geomagic软件对股骨和胫骨进行截骨。分别测定股骨横径(fML)、股骨前后径(fAP)、股骨内侧前后径(fMAP)、股骨外侧前后径(fLAP);胫骨截骨面横径(tML)、截骨面前后径(tAP)、内侧前后径(tMAP)、外侧前后径(tLAP)、中间内侧距离(CM)、中间外侧距离(CL)。分别计算股骨和胫骨截骨面的长宽比AR(AR=ML/AP×100);最后与PFCSigma假体截骨面进行分析比较。从而了解中国膝关节解剖学数据与西方人差异，以及与目前膝关节假体配件之间的关系。
　　（二）固定和活动平台型膝关节假体受力状况的有限元分析
　　以美国Depuy公司PFCSigma固定和活动平台型膝关节假体为研究对象，固定平台和活动平台研究组膝关节假体研究均选用股骨侧选用3号假体，选配固定平台胫骨侧2.5号假体（3/2.5配对）或4号假体（3/4配对），活动平台胫骨侧3号假体（3/3配对）。分别构建计算机有限元模型后，模拟双腿站立、平地行走、上楼梯情况下，对膝关节活动处于0°、10°、20°、30°、45°、60°、75°夹角时最大等效应力进行有限元分析，比较固定平台3/3配对与活动平台3/3配对之间最大等效应力差异，以及固定平台3/3配对与3/2.5、3/4配对间最大等效应力差异。
　　（三）固定平台和活动平台膝关节置换术后的步态分析
　　分别选择20例固定平台和20例活动平台膝关节置换术后病例进行步态分析。所有病例通过体表放置系列标记物，在VICONT4010镜头红外运动捕捉系统和RSscan足地测力系统中，采集平地行走数据后进行分析。数据分析包括假体手术侧与非手术侧，分为固定平台左侧(FBL)、固定平台右侧(FBR)、固定平台双侧(FBB)、活动平台左侧(MBL)、活动平台右侧(MBR)、活动平台双侧(MBB)6组，采用多变量单因素方差分析进行每组数据左右膝关节运动学和动力学比较以及固定平台和活动平台膝关节假体在运动学和动力学上的差异。
　　结果：
　　（一）膝关节骨关节炎关节面的测量数据
　　1.股骨侧关节面数据:
　　fMAP及fLAP有显著性差异(p＜0.05)，提示股骨截骨面内侧髁前后径大于外侧髁;男女之间fML及fAP有统计学显著性差异(p＜0.05)，男性的值均较大于女性。
　　2.胫骨侧解剖学数据:
　　与女性相比，男性的tML与tAP均较大(p＜0.05);tMAP及tLAP存在显著性差异(p＜0.05)，提示胫骨截骨面内侧胫骨平台前后径大于外侧;CL及CM统计学显著性差异存在(p＜0.05)，提示适用于中国人群的膝关节假体胫骨组件需要设计为非对称性假体;膝关节假体尺寸与fAP与tML、tAP均有显著相关性(p＜0.05)。
　　（二）活动平台与固定平台膝关节假体表面的应力变化
　　有限元模型中，活动平台膝关节聚乙烯在双腿站立、平地行走和上楼三种状况下，最大等效应力均小于固定平台膝关节。其中，在双腿站立和平地行走状态膝关节屈曲45°、60°、75°位置，活动平台膝关节和固定平台膝关节聚乙烯垫片表面最大等效应力具有显著差异(p＜0.05)。固定平台假体股骨与胫骨不同型号配对表面应力比较:在平地行走及上楼梯两种工况下，不同型号交叉配对的人工膝关节的最大等效应力均大于相同型号配对的人工膝关节的最大等效应力，夹角为20°时，增幅达到最大;3/2.5，3/4配对状态聚乙烯垫片应力增高区域面积均大于3/3配对。在双腿站立状态，3/3配对与3/2.5配对最大等效应力值在膝关节屈曲0°至20°时显著性差异(p＜0.05)，大于30°时无显著差异(P＞0.05)，3/3配对与3/4配对最大等效应力在屈曲0°至30°和屈曲75°位置有显著差异(P＜0.05);当模拟平地行走时，3/3配对与3/2.5配对、3/4配对应力值在屈曲0°至20°均有显著性差异(P＜0.05);模拟上楼情况时，3/3配对与3/2.5配对、3/4配对0°至30°范围内各角度之间差异均有统计学意义(P＜0.05)，45°至75°范围内各角度之间差异均无统计学意义(P＞0.05)。
　　（三）固定平台和活动平台膝关节置换术后的步态情况
　　在平地行走过程中，膝关节在足趾离地到足跟着地间的屈曲高峰期达到最大的膝关节屈曲活动，平均屈曲范围在45-65°。其中，活动平台组为52.08°±10.62°，固定平台组峰值为56.09°±11.43°，两组在膝关节屈伸运动峰值未发现显著差异(p＞0.05)。在动力学方面，两组膝关节在屈伸扭矩上也无显著性差异(p＞0.05)。说明在膝关节主要运动屈伸活动中，活动平台相对固定平台膝关节置换并不占有优势。在内外旋运动过程中，步态周期内，活动平台组内旋活动为-3.39°±1.71，固定平台组内旋活动为-0.67°±1.91，活动平台组比固定平台组有更大的内旋运动，两者具有显著性差异(p＜0.05)。在膝关节的内外旋扭矩上，活动平台膝关节在步态周期内，内旋最大扭矩低于固定平台组，两者具有显著性差异(p＜0.05)。在内外翻活动中，活动平台组与固定平台组在步态周期内，活动平台组的膝关节内外翻峰值为4.40°±5.73，固定平台组5.01°±5.83，两组在内外翻运动中无显著性差异(p＞0.05)。在动力学上，固定平台组（-0.47±0.19N.M/Kg）大于活动平台组（-0.32±0.15N.M/Kg），两者具有显著性差异(p＜0.05)。研究中发现活动平台膝关节，置换侧(16.73±1.71mm)较未置换侧(5.17±1.91mm)，在前后平移运动中具有显著性差异(p＜0.05)，而固定平台组置换侧与对侧比较前后平移运动无显著性差异(p＞0.05)。总体上，在膝关节活动至步态周期屈曲峰值时，膝关节产生最大向后平移运动，在活动平台膝关节13.57±5.79mm，固定平台膝关节组10.56±5.11mm，活动平台膝关节在屈曲活动中股骨后移幅度大于固定平台组，两组具有显著性差异(p＜0.05)。内外侧平移运动和上下平移运动中，力学及运动学数据均无显著性差异(p＞0.05)，两组均表现良好的侧方和上下稳定性。
　　结论：
　　1.男性膝骨关节炎患者的关节面，其股骨和胫骨侧前后径、内外侧径均大于女性，说明男性膝关节假体与女性膝关节假体型号上应当不同。股骨和胫骨内侧前后径大于外侧径，结合CL及CM统计学显著性差异存在，提示适用于中国人群的膝关节假体胫骨组件需要设计为非对称性假体。股骨和胫骨侧假体与股骨和胫骨的前后径及横径存在相关性，说明股骨和胫骨侧假体设计在解剖学应该存在匹配性。
　　2.有限元模型中，活动平台膝关节假体的聚乙烯在双腿站立、平地行走和上楼三种状况下最大等效应力均小于固定平台膝关节假体。固定平台膝关节假体中由于胫骨和股骨侧假体型号不匹配，会造成局部最大等效应力集中并增高。结合解剖学数据中股骨和胫骨侧前后径和横径匹配数据，说明在股骨和胫骨解剖学数据匹配性对固定平台膝关节假体影响较大，而对活动平台膝关节假体设计中由于旋转代偿因素，解剖学匹配性影响不大。对胫骨和股骨假体型号不匹配情况下，建议使用活动平台假体。
　　3.在平地行走步态周期内，活动平台膝关节假体内外旋转程度大于固定平台假体，而内外旋扭矩小于固定平台假体，符合活动平台设计的优点。膝关节在前后平移运动中，活动平台假体较未置换假体侧范围更大，说明活动平台膝关节假体置换术后膝关节前后移活动度大于骨关节炎膝关节。活动平台膝关节在屈曲活动中股骨后移幅度大于固定平台组，更符合膝关节在屈曲活动中的向后滚动移动的生理特性。在同样的膝关节内外翻稳定性下，活动平台膝关节承受了更小的内翻扭矩。在其余的运动学和动力学分析中，固定平台和活动平台膝关节假体之间无显著性差异。
　　综上所述，活动平台膝关节假体的优势在于对解剖学适应性更大，手术中即使采用相邻不同型号匹配，聚乙烯垫片可始终与股骨匹配因而可保证更好的力学特性。在运动学和动力学上，活动平台膝关节具有更佳的内外旋和前后活动度，关节旋转力矩更小，具有减少力学磨损的优势。而固定平台膝关节假体对解剖学假体配件要求匹配性高，且不同相邻假体型号匹配存在潜在加快磨损风险。固定平台假体在步态分析中也不具备通过增加旋转或活动度来代偿力学性磨损风险。根据上述分析，在临床上使用活动平台膝关节假体在理论上对手术疗效更具有优势。

目录

声明

摘要

第一章 膝关节假体设计历史、理念及进展

1．1 前言

1．2 膝关节假体设计历史

1．3 现代膝关节设计理念及进展

1．3．1 增加膝关节活动度

1．3．2 交叉韧带保留与否的选择

1．3．3 固定与活动平台的选择

1．4 固定平台和旋转平台膝关节假体研究及临床运用研究进展

参考文献

第二章 中国人群膝关节解剖学参数的测量及对假体设计的意义

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 材料

2．2．2 测量方法

2．2．3 统计分析

2．3 结果

2．3．1 股骨解剖参数

2．3．2 胫骨解剖参数

2．4 讨论

2．5 本章小结

参考文献

第三章 固定平台和活动平台膝关节假体生物力学有限元分析及其对比研究

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．3 结果

3．3．1 活动平台与固定平台膝关节假体表面应力分析比较

3．3．2 固定平台假体股骨与胫骨不同型号配对表面应力分析比较

3．4 讨论

3．5 本章小结

参考文献

第四章 固定平台和活动平台膝关节假体运动学和动力学分析及临床意义

4．1 前言

4．2 研究对象与方法

4．2．1 研究对象

4．2．2 研究方法

4．3 结果

4．3．1 膝关节的运动分析

4．3．2 膝关节动力学分析

4．4 讨论

4．8 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

攻读博士学位期间科研情况