馬童 薛華明 文濤 楊濤 薛龍 趙改平 涂意輝*

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）近十年中在治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎中取得了巨大成功，其假體失敗率大幅降低，目前10 年假體生存率高達(dá)95%～98%，是手術(shù)治療前內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎的重要選擇[1-2]。

單髁置換術(shù)的復(fù)興取決于器械材料的改進(jìn)、手術(shù)技術(shù)的提高和適應(yīng)證的明確。以往文獻(xiàn)中前交叉韌帶缺失（anterior cruciateligamentdificiency，ACLD）是UKA 的禁忌證[3-4]。膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定和反常運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致脛骨假體的早期松動(dòng)，聚乙烯襯墊磨損加大或外側(cè)間室進(jìn)展性關(guān)節(jié)炎而導(dǎo)致手術(shù)的早期失敗。但近期的臨床研究有不同的看法，Boissonneault 等[5]和Engh 等[6]報(bào)道的在ACLD 患者中運(yùn)用UKA 取得了良好的手術(shù)效果和較低的失敗率，認(rèn)為ACLD 并不影響UKA 的手術(shù)療效和假體生存率。Boyd 等[7]和Plancher 等[8]認(rèn)為不能簡單將ACL 缺失視為UKA 的禁忌證，而應(yīng)綜合考慮患者膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和全身情況選擇手術(shù)方案。目前，尚缺乏生物力學(xué)研究對ACL 缺失的UKA 術(shù)后運(yùn)動(dòng)軌跡和應(yīng)力分布進(jìn)行深入研究。本研究建立單髁置換三維有限元模型，比較ACL 完整和缺失條件下關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力峰值變化和位移的變化，評價(jià)對手術(shù)療效的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

研究對象為一名健康志愿者，38 歲，男，身高173 cm、體重60 kg，經(jīng)X 線檢查排除患者膝關(guān)節(jié)腫瘤、退變、感染和創(chuàng)傷等疾病，簽署影像學(xué)檢查知情同意書。

選用牛津第三代活動(dòng)襯墊假體（Biomet，Warsaw，IN，USA）假體。選用股骨假體：中號，脛骨假體：C，活動(dòng)襯墊：中號/4 mm。

1.2 主要儀器

128 排螺旋CT（Siemens，德國），采集膝關(guān)節(jié)骨性輪廓數(shù)據(jù)，掃描層距0.7 mm。3.0 T 核磁共振（General Electric，美國），選擇掃描矢狀位3D 質(zhì)子密度加權(quán)成像序列，層厚1 mm，掃描數(shù)據(jù)以Dicom 格式保存。建模所用軟件包括Mimics 14.11、Geomagic 12.0、Hypermesh12.0 和Abaqus 13.0等多個(gè)軟件系統(tǒng)，完成模型的建立、器械的植入、應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模型生物力學(xué)特性的分析等。

1.3 正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立

膝關(guān)節(jié)采用伸直位和屈膝30°、60°、90°和120°不同屈曲體進(jìn)行掃描，獲得膝關(guān)節(jié)不同屈膝角度下的CT圖像數(shù)據(jù)，從Mimics 軟件中所得的數(shù)據(jù)，數(shù)字化獲得各層面邊界三維空間坐標(biāo)。采用與掃描數(shù)據(jù)同一對象的核磁共振成像MRI圖像（伸直位），選取人體膝關(guān)節(jié)的軟骨、半月板和相關(guān)韌帶等的輪廓控制點(diǎn)，提取輪廓，并采用Mimics 軟件重建包含內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、骨軟骨和半月板在內(nèi)的膝關(guān)節(jié)軟組織三維實(shí)體模型。使用Mimics 軟件利用重新建立的人體膝關(guān)節(jié)骨骼組織和掃描點(diǎn)云進(jìn)行匹配，將人體膝關(guān)節(jié)各部分軟組織匹配組裝在骨骼組織的實(shí)體模型上。

導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 12.0，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對膝關(guān)節(jié)骨組織、軟骨、韌帶和半月板按四面體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。膝關(guān)節(jié)各部分單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)一共包含119 186 個(gè)四面體單元。其中股骨模型、脛骨模型、腓骨模型、內(nèi)側(cè)半月板模型、外側(cè)半月板模型、股骨軟骨模型、脛骨外側(cè)軟骨模型、脛骨內(nèi)側(cè)軟骨模型均分布被劃分為38 672 個(gè)、33 271個(gè)、3875 個(gè)、877 個(gè)、656 個(gè)、5740 個(gè)、1 143 個(gè)和1 681 個(gè)四面體單元（見圖1）。

將獲得的立體模塊以Abaqus 13.0 文件的格式導(dǎo)出，將有限單元化的幾何模型，賦予各部分材料屬性，本研究參數(shù)依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料的研究成果，所有材料均假設(shè)為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料，直接賦予彈性模量和泊松比[9]。膝關(guān)節(jié)的四條韌帶采用多根非線性桁架單元來模擬膝關(guān)節(jié)的4條主要韌帶：外側(cè)副韌帶（3 個(gè)桁架單元）、內(nèi)側(cè)副韌帶（6個(gè)桁架單元）、前交叉韌帶（6 個(gè)桁架單元）、后交叉韌帶（6個(gè)桁架單元）（見表1）。

圖1 全膝關(guān)節(jié)無損有限元模型：A.前視圖；B.側(cè)位視圖；C.后視圖

表1 相關(guān)材料屬性

完全固定脛骨和腓骨的下端，在股骨內(nèi)外髁中心點(diǎn)上施加y 方向向下的軸向載荷共1 000 N。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)束后，可以獲得各種情況下脛骨軟骨、股骨軟骨和半月板之間的峰值接觸壓力，并且對其進(jìn)行對比分析。同時(shí)驗(yàn)證模型在脛骨前抽屜作用力下的影響，在股骨后向施加130 N 的載荷，模擬脛骨受到的前向力，即模擬前抽屜載荷實(shí)驗(yàn)，計(jì)算和分析脛骨的位移角度。

1.4 UKA 三維有限元模型的建立與分析比較

依照Oxford Ⅲ操作指南所示將數(shù)字化假體植入膝關(guān)節(jié)三維有限元模型中[10]。逆向植入過程需注意：在脛骨平臺最低點(diǎn)下2 mm 處精確截骨；股骨假體栓在冠狀位上與脛骨長軸平行，在矢狀位上與股骨長軸平行；脛骨假體在冠狀位上與脛骨長軸垂直，在矢狀位上與脛骨長軸7°后傾；根據(jù)股骨脛骨加載后空間選擇襯墊厚度（本研究中為4mm），股骨脛骨角175°。

利用逆向工程軟件UG建立膝關(guān)節(jié)單髁置換假體后的手術(shù)模型，采用有限元前處理軟件Hypermesh，將模型分割成有限個(gè)部分，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料賦值等操作（見表1）。脛骨和腓骨的下端完全固定，在股骨內(nèi)外髁中心點(diǎn)上施加y 方向向下的軸向載荷一共1 000 N。在股骨后向施加130 N 的載荷，模擬脛骨受到的前向力，即模擬前抽屜載荷實(shí)驗(yàn)。

建立前交叉韌帶完整（anterior cruciate ligament intact，ACLI）的UKA 模型（UKA-ACLI）和前交叉韌帶缺失的UKA 模型（UKA-ACLD），分別屈膝0°、30°、60°、90°和120°角度，共5 組10 個(gè)模型（見圖2）。在Abaqus 分析軟件中進(jìn)行計(jì)算和分析軟骨、半月板、襯墊與假體間的Von Mises 應(yīng)力及膝關(guān)節(jié)位移。

2 結(jié)果

2.1 正常膝關(guān)節(jié)有限元模型驗(yàn)證

2.1.1 接觸應(yīng)力驗(yàn)證

內(nèi)外側(cè)半月板的接觸應(yīng)力分別為2.958 MPa和2.456MPa，內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的接觸應(yīng)力分別為1.880 MPa 和2.569 MPa，股骨軟骨的接觸應(yīng)力為2.401 MPa。與文獻(xiàn)結(jié)果相近[11-15]（見圖3）。

2.1.2 位移驗(yàn)證

在130 N 前向力作用下，不同屈膝角度脛骨前移5.50 ～9.3 mm，與文獻(xiàn)結(jié)果相近[16]（見圖4）。

2.2 UKA-ACLI 與UKA-ACLD 比較

2.2.1 最大Von Mises 應(yīng)力比較

無論在ACLI 和ACLD 的UKA 術(shù)后，內(nèi)側(cè)假體的最大應(yīng)力要明顯高于外側(cè)部位應(yīng)力，股骨假體在60°位達(dá)到應(yīng)力最大值，脛骨假體在90°位達(dá)到應(yīng)力最大值，外側(cè)股骨軟骨、脛骨軟骨、半月板、襯墊均在120°位達(dá)到應(yīng)力最大值。在各角度中兩組應(yīng)力無明顯差別。兩組各部位不同角度應(yīng)力最大值見表2，兩組之間外側(cè)股骨軟骨、脛骨軟骨、半月板、股骨假體、脛骨假體、襯墊不同角度最大應(yīng)力值比較見圖5。

表2 UKA-ACLI 與UKA-ACLD 不同膝關(guān)節(jié)屈膝角度各部位應(yīng)力峰值（MPa）

圖5 UKA-ACLI 與UKA-ACLD 不同部位應(yīng)力峰值比較:A.兩組外側(cè)股骨軟骨應(yīng)力峰值比較;B.兩組外側(cè)脛骨軟骨應(yīng)力峰值比較;C.兩組外側(cè)半月板應(yīng)力峰值比較;D.兩組襯墊應(yīng)力峰值比較;E.兩組股骨假體應(yīng)力峰值比較;F.兩組脛骨假體應(yīng)力峰值比較

2.2.2 位移比較

UKA-ACLI 在不同角度施加載荷，股骨相對脛骨的位移（前后移位、內(nèi)外旋和內(nèi)外翻）基本與正常膝關(guān)節(jié)相似，僅0°位內(nèi)翻角度增大。UKA-ACLD 在前后向移位方面，0°和30°位載荷下股骨后方位移要明顯大于UKA-ACLI 和無損模型組。在內(nèi)外旋方面，0°位相比UKA-ACLI 和無損模型組內(nèi)旋更小而在30°位外旋更大。在膝關(guān)節(jié)其他屈膝角度前后向移位，內(nèi)外旋和所有角度的內(nèi)外翻UKA-ACLD 與UKA-ACLI 相比無明顯區(qū)別，提示前交叉韌帶缺失主要在膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)影響關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，在膝關(guān)節(jié)屈膝60°以后對關(guān)節(jié)穩(wěn)定性無明顯影響。正常膝關(guān)節(jié)、UKA-ACLI 和UKAACLD 在不同屈膝角度的載荷下前后移位、內(nèi)外旋和內(nèi)外翻位移情況見表3。

表3 不同角度載荷下位移情況

3 討論

UKA 術(shù)后膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)力的異常增加和位移增大是導(dǎo)致假體磨損、松動(dòng)和對側(cè)進(jìn)展性骨關(guān)節(jié)炎的重要原因，導(dǎo)致早期假體失效，ACL 的缺失是否導(dǎo)致以上不良影響是研究的關(guān)鍵。諸多研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)側(cè)單髁置換術(shù)后，載荷分布更趨向于內(nèi)側(cè)間室，且最大應(yīng)力明顯增高[6]。在朱廣鐸等[17]的研究中發(fā)現(xiàn)，在膝關(guān)節(jié)有限元模型中，于股骨施加1 000 N 的應(yīng)力載荷，內(nèi)側(cè)間室總載荷由正常膝關(guān)節(jié)中的55.1%升至單髁置換后的59.7%，正常膝關(guān)節(jié)中內(nèi)側(cè)股骨、半月板和脛骨最大應(yīng)力分別為2.38 MPa、2.55 MPa和2.68 MPa，單髁置換術(shù)后股骨假體、襯墊和脛骨假體分別為9.29 MPa、8.41 MPa 和6.14 MPa；外側(cè)股骨軟骨、半月板和脛骨軟骨在手術(shù)前后都維持2.3 ～2.7 MPa 的低應(yīng)力水平，無顯著變化。在Kwon 等[18]的研究中也有相同發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)間室的最大應(yīng)力明顯高于外側(cè)間室。筆者研究結(jié)果與上述的研究結(jié)果有一定程度的一致性，UKA 膝關(guān)節(jié)0°位時(shí)股骨假體、襯墊和脛骨假體分別為6.07 MPa、4.43 MPa 和2.36 MPa，外側(cè)股骨軟骨、半月板和脛骨軟骨的最大應(yīng)力分別為1.15 MPa、1.60 MPa 和1.92 MPa。造成這一結(jié)果的可能原因?yàn)?，?biāo)準(zhǔn)的單髁置換為術(shù)后膝關(guān)節(jié)輕度內(nèi)翻，這使得內(nèi)側(cè)間室總載荷升高；實(shí)驗(yàn)中股骨加載載荷，假體材料的彈性模量高，使得股骨假體最大應(yīng)力明顯增高，而活動(dòng)平臺聚乙烯襯墊接觸面積大，接觸應(yīng)力更小，傳遞到脛骨假體的載荷更為分散、均勻；使得襯墊和脛骨假體的最大應(yīng)力要明顯小于股骨假體。在Kwon 等[18]對一個(gè)步態(tài)周期的UKA 術(shù)后有限元分析發(fā)現(xiàn)，在膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)關(guān)節(jié)內(nèi)各部分應(yīng)力較小，在步態(tài)周期的63%，即膝關(guān)節(jié)屈膝到60°時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值。在本研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著膝關(guān)節(jié)屈膝角度的增大，膝關(guān)節(jié)內(nèi)各部位最大應(yīng)力增大，在觀察部位多在屈膝60°～90°位達(dá)到應(yīng)力峰值。當(dāng)將假體植入最佳位置時(shí)（脛骨假體后傾7°），ACLD 組與ACLI 組比較，各角度不同部位，峰值應(yīng)力并無明顯差別。ACL 功能情況并不導(dǎo)致UKA 術(shù)后膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化。

載荷下的位移情況是另一個(gè)需要關(guān)注的問題。目前，關(guān)于膝關(guān)節(jié)ACLD 的運(yùn)動(dòng)軌跡學(xué)研究較多，普遍認(rèn)為ACLD導(dǎo)致脛骨前移和內(nèi)旋增大，在上樓和下蹲過程中ACL 完整與否對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)力學(xué)影響較大，使膝關(guān)節(jié)完成動(dòng)作時(shí)間延長，減少了內(nèi)旋肌力，在膝關(guān)節(jié)屈曲的起始階段出現(xiàn)明顯的前后向不穩(wěn)[19-20]。較多的針對內(nèi)側(cè)活動(dòng)平臺單髁置換術(shù)后的運(yùn)動(dòng)軌跡研究發(fā)現(xiàn)，假體位置合適的UKA 術(shù)后與正常膝關(guān)節(jié)有相似的運(yùn)動(dòng)軌跡[18,21-22]。在Pegg 等[23]針對UKA 術(shù)后矢狀面膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡分析研究發(fā)現(xiàn)，在爬樓和前弓步動(dòng)作時(shí)，ACLD 組在屈膝30°脛骨移位較ACLI 組明顯增大，完成動(dòng)作時(shí)間也分別較ACLI 組多30.7%和45.0%，但筆者也認(rèn)為此程度的運(yùn)動(dòng)軌跡變化不會(huì)影響中期臨床效果。在Suggs 等[24]尸體生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在膝關(guān)節(jié)屈膝0°、30°、60°、90°和120°給予股四頭肌/腘繩肌400 N/200 N的應(yīng)力下，UKA-ACLI 和正常膝關(guān)節(jié)在各屈膝角度前后位移無明顯差異，ACLD 組在屈膝0°和30°時(shí)，股骨后移要明顯大于兩組。在旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)位移，除屈膝0°位ACLI 組脛骨內(nèi)旋增大，其余各屈膝角度ACLI 組與ACLD 組無明顯差別。UKA 術(shù)后膝關(guān)節(jié)屈膝0°和30°位時(shí)ACL 承受張力最大，對膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性起到重要作用，膝關(guān)節(jié)屈膝60°位以后，ACL承受張力明顯減小，對維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性作用減弱。筆者認(rèn)為在固定襯墊假體中，襯墊可提供額外穩(wěn)定性，推測這樣使相應(yīng)應(yīng)力增加，加速了襯墊磨損。在筆者的研究中也發(fā)現(xiàn)，UKA 術(shù)后與正常膝關(guān)節(jié)，在不同屈膝角度載荷下有相似的位移變化，這與活動(dòng)襯墊設(shè)計(jì)，使得襯墊的上下表面分別與股骨和脛骨高度形配有關(guān)。ACLD 組在屈膝0°和30°位股骨后移明顯增大，股骨內(nèi)旋減少（0°位），外旋增大（30°位），這因?yàn)锳CL 的主要功能為阻止脛骨前移和內(nèi)旋有關(guān)。伸直位時(shí)ACL 作用最強(qiáng)，隨著屈膝角度增大，ACL 作用逐漸減弱，維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的作用逐漸為關(guān)節(jié)囊、半月板和其他韌帶代替，在屈膝60°以后載荷條件下膝關(guān)節(jié)各項(xiàng)位移ACLD組與ACLI 組無明顯區(qū)別。ACL 對UKA 術(shù)后穩(wěn)定性的作用主要體現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)接近伸直位，膝關(guān)節(jié)各向（主要是前后向）位移增大可能導(dǎo)致假體和外側(cè)間室的磨損加速。

綜上，在健康膝關(guān)節(jié)單髁置換模型中，在膝關(guān)節(jié)屈膝任何角度，ACLI 和ACLD 模型各觀察部位最大應(yīng)力無明顯差別。在屈膝0°和30°位，UKA-ACLD 的前后移位較UKAACLI 明顯增大，并出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)移位異常。提示ACL 缺失并不會(huì)導(dǎo)致UKA 術(shù)后應(yīng)力異常增大，會(huì)導(dǎo)致在膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)位移增加，是否會(huì)加速假體和對側(cè)間室磨損需進(jìn)一步研究。