任鵬鵬，張啟棟

（1.蘇州市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院骨傷一科，江蘇 蘇州 215000；2.中日友好醫(yī)院骨科，北京 100029）

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（unicompartmental knee ar?throplasty,UKA）是治療晚期單間室膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）的有效手段，通過(guò)對(duì)病變間室進(jìn)行表面置換，可以有效緩解疼痛、改善功能，具有創(chuàng)傷小、康復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，大量的中長(zhǎng)期隨訪結(jié)果顯示療效滿意［1～4］。隨著假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)、微創(chuàng)手術(shù)器械的開(kāi)發(fā)、手術(shù)技術(shù)的提高及患者選擇更加合理，臨床效果更好，在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展［5］。正常膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)屬于多半徑關(guān)節(jié)，UKA假體設(shè)計(jì)為單半徑假體，在一定程度上改變了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)［6］。本文將從尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析及其他研究方法等方面綜述膝關(guān)節(jié)牛津活動(dòng)平臺(tái)內(nèi)側(cè)單髁置換術(shù)后生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀。

1 尸體研究

尸體研究是一種應(yīng)用廣泛的體外研究方法，可有效模擬活體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，也可進(jìn)行人體體內(nèi)研究所禁止的有創(chuàng)操作。在尸體研究中，可以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)淺層內(nèi)側(cè)副韌帶張力、股四頭肌張力及外側(cè)間室接觸應(yīng)力的測(cè)量，這是人體體內(nèi)研究時(shí)所禁止的有創(chuàng)操作［7，8］。尸體研究一般應(yīng)用新鮮冷凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本，去除膝關(guān)節(jié)皮膚及皮下組織，保留膝關(guān)節(jié)周圍肌肉群、膝關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)囊內(nèi)組織等。尸體研究的實(shí)驗(yàn)裝置主要有三部分組成：（1）運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)主要通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)標(biāo)本模擬活體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；（2）載荷系統(tǒng)主要模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷；（3）接觸測(cè)量系統(tǒng)主要采集并傳輸膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡及膝關(guān)節(jié)間室接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)［9］。離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本組織的性質(zhì)與活體非常相似，包括固有的解剖變異和局部的機(jī)械變異，在一段合理的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，關(guān)節(jié)軟骨、韌帶和半月板在離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本上的表現(xiàn)都與活體相似。Peersman等［7］研究離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本UKA術(shù)后在運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行被動(dòng)活動(dòng)、開(kāi)放鉸鏈活動(dòng)及深蹲活動(dòng)的生物力學(xué)變化，分別收集并分析三種活動(dòng)狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻，脛骨內(nèi)外旋、股骨位移及深蹲活動(dòng)時(shí)外側(cè)間室接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)。該研究表明UKA術(shù)后大多數(shù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與正常接近，特別是在被動(dòng)活動(dòng)時(shí)；但是在開(kāi)放鉸鏈活動(dòng)時(shí)，UKA術(shù)后內(nèi)側(cè)間室股骨上下位移、外側(cè)間室股骨前后位移及脛骨內(nèi)外翻差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在深蹲活動(dòng)時(shí)，UKA術(shù)后外側(cè)間室接觸應(yīng)力比正常較高，但是無(wú)論膝關(guān)節(jié)屈曲角度如何，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與 Peersman等［7］研究相似，Heyse等［10］也發(fā)現(xiàn)在被動(dòng)活動(dòng)、開(kāi)放鉸鏈活動(dòng)時(shí)，UKA術(shù)后的股骨“回滾”模式與正常膝關(guān)節(jié)非常接近；深蹲活動(dòng)時(shí)，UKA術(shù)后脛骨內(nèi)旋輕度減小。這些研究結(jié)果說(shuō)明膝關(guān)節(jié)UKA術(shù)后生物力學(xué)與正常高度相似，是UKA術(shù)后臨床功能評(píng)分高、臨床效果滿意度高的佐證。與上述傳統(tǒng)尸體研究相比，導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用使尸體研究更容易、更便捷［11］。尸體研究有很多優(yōu)點(diǎn)，在生物力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，但是也有缺點(diǎn)［7，8，10～12］：（1）尸體標(biāo)本量少、花費(fèi)高、獲取困難，能應(yīng)用于尸體研究的更少，一個(gè)尸體標(biāo)本被多次使用；而且尸體標(biāo)本質(zhì)量受年齡、健康狀態(tài)、存儲(chǔ)時(shí)間、標(biāo)本準(zhǔn)備方法的影響，質(zhì)量參差不齊，不同研究結(jié)果之間可比性較差；（2）運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)能模擬少數(shù)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，但是不能模擬日常生活中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，比如跳躍、上樓梯、步態(tài)等，復(fù)雜運(yùn)動(dòng)結(jié)果可能與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)結(jié)果不同；（3）經(jīng)過(guò)處理的離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本部分組織是缺損的，離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本的內(nèi)側(cè)副韌帶不能發(fā)揮作為感受器的作用，離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本無(wú)內(nèi)側(cè)單間室病變，這與活體是不同的；（4）UKA術(shù)后只能測(cè)量外側(cè)間室的接觸應(yīng)力，不能了解內(nèi)外側(cè)間室接觸應(yīng)力分布的變化。

2 有限元分析

有限元分析（finite element analysis,FEA）常被用來(lái)解決骨科研究中許多復(fù)雜問(wèn)題，主要包括影像數(shù)據(jù)獲取、有限元模型建立及網(wǎng)絡(luò)劃分、材料屬性賦值、邊界條件設(shè)置、模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷、生物力學(xué)變化分析及有限元模型驗(yàn)證等過(guò)程［13］。傳統(tǒng)研究方法是通過(guò)使用復(fù)合人工骨材料或尸體標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這需要特殊的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，費(fèi)用較高且較為耗時(shí)，難以對(duì)不同患者及各種復(fù)雜情況下手術(shù)效果進(jìn)行評(píng)估［14］。與傳統(tǒng)的體外或體內(nèi)研究相比，F(xiàn)EA不需要昂貴的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置，可自主設(shè)置各種復(fù)雜的邊界條件，模擬膝關(guān)節(jié)負(fù)荷并進(jìn)行生物力學(xué)分析，對(duì)膝關(guān)節(jié)內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，操作性及可重復(fù)性強(qiáng)［15］。Innocenti等［16］對(duì)同一個(gè)離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本進(jìn)行尸體研究和FEA，尸體研究發(fā)現(xiàn)給予離體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本2 000 N負(fù)荷后，測(cè)量?jī)?nèi)外側(cè)間室載荷，外側(cè)間室載荷占總負(fù)荷39.5%，與既往尸體研究文獻(xiàn)結(jié)果相似；同時(shí)，F(xiàn)EA測(cè)量?jī)?nèi)外側(cè)間室載荷分布，發(fā)現(xiàn)外側(cè)間室載荷占總負(fù)荷40%，與該實(shí)驗(yàn)尸體研究結(jié)果相似，證明了FEA的可信性。Kang等［17］應(yīng)用FEA探討UKA術(shù)后不同關(guān)節(jié)線位置（±6,±4,±2,0 mm）對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響，與0 mm關(guān)節(jié)線位置比較，關(guān)節(jié)線位置增高時(shí)活動(dòng)墊片上、下接觸面的最大接觸應(yīng)力均增加；相反，關(guān)節(jié)線位置減低時(shí)活動(dòng)墊片上、下接觸面的最大接觸應(yīng)力均較少。該研究說(shuō)明關(guān)節(jié)線位置的恢復(fù)是提高假體生存率、獲得滿意臨床效果的關(guān)鍵因素，因此建議UKA時(shí)要保持良好的關(guān)節(jié)線位置。朱廣鐸等［18］對(duì)正常膝關(guān)節(jié)及中立位UKA行FEA，對(duì)正常膝關(guān)節(jié)模型及UKA模型統(tǒng)一邊界條件后施加相同載荷，結(jié)果顯示UKA模型外側(cè)間室股骨軟骨、外側(cè)半月板及脛骨軟骨最大接觸應(yīng)力分別為2.71、2.93、2.84 MPa，而正常膝關(guān)節(jié)模型外側(cè)間室股骨軟骨、外側(cè)半月板及脛骨軟骨最大接觸應(yīng)力分別為2.60、2.68、2.63 MPa。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明UKA術(shù)后中立位外側(cè)間室接觸應(yīng)力較正常膝關(guān)節(jié)輕度增加。但是，UKA在輕度內(nèi)翻位時(shí)，膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室接觸應(yīng)力較正常膝關(guān)節(jié)無(wú)明顯變化，說(shuō)明UKA術(shù)后輕度內(nèi)翻位是被推薦的。FEA可以評(píng)估不同因素對(duì)UKA術(shù)后生物力學(xué)的影響，以優(yōu)化假體設(shè)計(jì)、預(yù)防并發(fā)癥、提高假體生存率及手術(shù)效果滿意度等，但尚存在局限性［13，14，17～19］:（1） FEA 以一名志愿者影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，所構(gòu)建有限元模型只反映個(gè)人膝關(guān)節(jié)特性，個(gè)體體型、體重、身高、年齡、性別、種族等因素會(huì)影響研究結(jié)果；（2）若需要增加有限元模型，大量影像數(shù)據(jù)的獲取是困難的，這需要花費(fèi)大量的時(shí)間、金錢(qián)，而且對(duì)大量志愿者進(jìn)行CT檢查是違背倫理的；（3）FEA只進(jìn)行單一負(fù)荷下的靜力學(xué)分析，缺乏復(fù)雜負(fù)荷條件下的動(dòng)力學(xué)分析，需要進(jìn)一步完善UKA有限元模型在各種屈曲角度、內(nèi)外翻及內(nèi)外旋情況下的生物力學(xué)分析；（4）FEA過(guò)程中需要計(jì)算大量的數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算困難、圖像失真、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、大量偽影和誤差等情況。

3 步態(tài)分析

步態(tài)分析是一個(gè)體內(nèi)研究，目前應(yīng)用最廣泛的方法是基于紅外追蹤技術(shù)的三維步態(tài)分析系統(tǒng)，通常由追蹤反光標(biāo)記三維運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、采集地面反作用力的測(cè)力臺(tái)和皮膚表面肌電圖采集裝置等三大部分組成［20］。三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括身體各個(gè)部分的相對(duì)位置與方向、足與地面的作用力、時(shí)間-空間關(guān)系和下肢肌肉的階段性活動(dòng)，這些數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)軟件整合分析。步態(tài)分析不僅能獲取患肢膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)，還能同時(shí)獲取健肢膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)，能對(duì)患肢術(shù)前、術(shù)后不同隨訪時(shí)間及健肢膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。與體外研究相比，步態(tài)分析能真實(shí)反映生理狀態(tài)，進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析，比如平地行走、上坡、下坡等［21］。步態(tài)分析作為一種客觀性、量化性的評(píng)估方法，可以作為臨床功能評(píng)分評(píng)估的補(bǔ)充，為臨床決策提供更多信息。Catani等［20］及 Wiik 等［22］通過(guò)步態(tài)分析結(jié)合臨床功能評(píng)分發(fā)現(xiàn)活動(dòng)平臺(tái)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)與正常膝關(guān)節(jié)高度相似，較固定平臺(tái)UKA及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)更好，效果滿意度更高。Seeger等［23］將步態(tài)分析與臨床功能評(píng)分結(jié)合對(duì)UKA術(shù)前及術(shù)后進(jìn)行評(píng)估，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度由術(shù)前的117.3°提高到 123.0°（P=0.0483），步長(zhǎng)由術(shù)前 76.5 cm增加到81.9 cm（P=0.028）；而且所有臨床功能評(píng)分，美國(guó)膝關(guān)節(jié)學(xué)會(huì)評(píng)分（American Knee Society Score,AKSS）、牛津 12 項(xiàng)評(píng)分 （Oxford-12 Score）、Devane評(píng)分（Devane Score）和漢諾威骨關(guān)節(jié)炎功能能力問(wèn)卷 ［Hannover functional ability questionnaire for osteoarthritis(FFbH-OA)score，F(xiàn)FBH-OA］ 均有顯著變化（P<0.01）。該研究說(shuō)明UKA術(shù)后患肢功能明顯改善，更接近正常膝關(guān)節(jié)。步態(tài)分析可以對(duì)UKA患者下肢運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化評(píng)估，能夠更加精準(zhǔn)地獲知患者術(shù)后的康復(fù)情況，進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)手術(shù)與探索康復(fù)新方法的目的，但是亦具有自身的局限性［23～26］:（1）步態(tài)分析最大的缺點(diǎn)是反光標(biāo)記粘貼于皮膚表面，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軟組織的滑動(dòng)會(huì)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)分析帶來(lái)較大誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)測(cè)量，只能獲取近似的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)；（2）步態(tài)分析的結(jié)果與硬件設(shè)備、軟件分析流程和測(cè)試者本身之間有一定關(guān)聯(lián)，還受到步行速度、年齡、性別、身高、種族等混雜因素的影響，很難形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行比較；（3）由于安全原因，UKA術(shù)后患者在進(jìn)行步態(tài)分析過(guò)程中需要扶持欄桿或扶手，避免跌倒摔傷，這與正常無(wú)扶持運(yùn)動(dòng)測(cè)試者的結(jié)果無(wú)法進(jìn)行比較分析；（4）不可控因素影響較大，測(cè)試者本身在檢測(cè)過(guò)程中主觀意識(shí)對(duì)研究結(jié)果也有一定影響。

4 其他研究方法

除了尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析等常用研究方法外，還有一些研究的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。Kono等［27］采用雙熒光成像系統(tǒng)研究活體活動(dòng)平臺(tái)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)的深蹲運(yùn)動(dòng)，可對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行精確分析。與傳統(tǒng)X射線立體成像分析相比，雙熒光成像系統(tǒng)不需預(yù)先置入不透射線的體內(nèi)標(biāo)記便可獲取高度精確的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡，但是該研究需要承受的輻射暴露量較大。除了X線進(jìn)行膝關(guān)節(jié)體內(nèi)研究外，部分研究者應(yīng)用磁共振成像技術(shù)研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)，但是目前缺乏對(duì)UKA術(shù)后生物力學(xué)的研究［28，29］。與X線相比，磁共振成像具有無(wú)輻射的特點(diǎn)，在未來(lái)UKA生物力學(xué)研究中會(huì)越來(lái)越受青睞。Bucek等［30］應(yīng)用術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)研究患者UKA術(shù)前及術(shù)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化，同時(shí)應(yīng)用膝關(guān)節(jié)鏡研究志愿者正常膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)及膝關(guān)節(jié)鏡都可以動(dòng)態(tài)研究膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化，但是膝關(guān)節(jié)鏡檢查可能會(huì)影響膝關(guān)節(jié)功能。

綜上所述，在UKA術(shù)后生物力學(xué)研究中，上述研究結(jié)果說(shuō)明牛津活動(dòng)平臺(tái)內(nèi)側(cè)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)與正常膝關(guān)節(jié)高度相似。在生物力學(xué)研究中，尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析、X射線立體成像、雙熒光成像系統(tǒng)、磁共振成像技術(shù)、術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)、膝關(guān)節(jié)鏡等方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，但是整體上可信度高。因此，需要改進(jìn)現(xiàn)有研究方法，探索新的可信度更高的方法來(lái)研究牛津活動(dòng)平臺(tái)內(nèi)側(cè)UKA術(shù)后生物力學(xué)變化，獲得更真實(shí)的結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)手術(shù)與探索康復(fù)新方法的目的，提高假體生存率、臨床效果滿意度。