人工膝关节置换中生物力学研究进展

袁振中,陈跃平

(1.广西中医药大学研究生学院,广西 南宁 530001;2.广西中医药大学附属瑞康医院,广西 南宁 530011)

人工膝关节置换中生物力学研究进展

袁振中1,陈跃平2

(1.广西中医药大学研究生学院,广西 南宁 530001;2.广西中医药大学附属瑞康医院,广西 南宁 530011)

人工全膝关节置换;生物力学;假体;有限元分析

人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA )是为减轻患者膝关节疼痛、改善膝关节功能和维持膝关节稳定所采取的一种外科手术方式，即将关节假体直接植入体内，在病情严重的膝关节疾病中使用的比较普遍。它是临床治疗晚期膝骨性关节炎(KOA)、关节畸形，关节重大创伤等严重膝关节疾病最为有效的方法。国内有研究报道在我国有膝骨性关节炎X线表现的60%来自大于55岁的中老年人群,KOA的发病率可达85%的老年人一般在65岁以上[1]。如今，KOA的发病率随着人口老龄化的加剧而增长迅速，越来越多的患者开始选择关节置换手术，对这一手术方式的认识也得到了临床医师的认可。目前在临床上和人体试验过程中发现在TKA手术过程中，生物力学的研究及应用对于术中截骨矫形，安放膝关节假体，制定术后康复方案的都有着非常重要的意义。本文就近年来生物力学在人工膝关节中的历史，人工膝关节置换中生物力学特性研究、关节置换中软组织平衡、膝关节相关骨重塑方面进行探讨。

1 人工膝关节置换中生物力学研究历史回顾

Boyd于1938 年就开始在膝关节成形方面使用铸造的金属股骨髁假体,并获得了良好的临床效果。1953 年，Walldius等[2]在没考虑膝关节生物力学原则的情况下应用丙烯酸甲脂制作出了铰链式人工膝关节假体，直到1971年 Gunston等[3]第一次在临床上使用金属-高分子聚乙烯组合的人工膝关节假体,并首次根据生物力学原则提出多中心假体的设想,其设计的关节在形状和结构完全不同于传统的假体，属半限制性假体,即应用单个假体部件取代相对应的关节面以维持膝关节稳定，模拟膝的运动。之后Converty等[4]相继设计出几何型和解剖型的全膝关节假体，这些假体与关节的匹配越来越符合生物力学的要求，随后又设计出了多种关节假体，如全髁型假体及后来根据其改进并开发的旋转平台假体和后方稳定型的假体，更加符合了自然膝关节的力学特性，满足不同患者的需求。

2 人工膝关节置换中生物力学特性研究

虽然在临床上对于膝关节的疾病中，特别是那些严重破坏关节面，疼痛明显，影响正常行走及日常生活的，越来越多的医师及患者选用膝关节置换，但随着临床的大量使用，其手术后出现的问题也越来越多，有些可能是灾难性的，如假体松动、关节僵硬、假体周围骨折、关节磨损等,这些问题与生物力学息息相关,为了研究如何改善和避免这些情况的发生，国内外学者从生物力学角度对人工膝关节关节周围的应力分布、假体的运动轨迹及假体部件的磨损情况等做了许多相关研究和测试。

2.1 膝关节假体结构位置及运动变化对TKA的影响 膝关节运动形式主要有伸直与屈曲、内外翻和旋转活动以及在关节内的滚动和滑动，然而它并非是简单的屈伸运动，而是一系列的复合三维空间运动，它由股骨髁向后移动及胫骨的轴向内旋等运动方式复合形成。当膝关节的运动学特性受到膝关节功能结构发生改变的影响时，都可能引起关节功能异常及膝关节所受应力的增加[5]。因此在膝关节置换的手术过程中需要尽可能地维持关节功能结构和位置的原有状态，否则将会造成因持续的力学改变而导致术后并发症的发生。Seo等[6]对768例接受全膝关节置换术的患者进行回顾性分析，研究胫骨后倾角(PTS)的变化与全膝关节置换术临床结果之间的影响,治疗过程中将术前术后X射线片上胫骨后倾角度数的变化分为5组：第1组>3°、第2组3°-1°、第3组<1°～-1°、第4组<-1°～-3°和第5组<-3°。研究结果显示术后VAS评分、功能评分、KSS评分均得到改善，各组间差异不显著。这说明PTS并不是影响术后疼痛、ROM的限制、膝关节功能的唯一因素，但髌骨评分和Kujala评分在第2和第3组(3°-1°)相对于其他组有显著改善，因此认为PTS与胫骨前脱位呈负相关，导致了髌股关节接触面和应力的减少，最终改善费勒髌骨评分和Kujala评分，所以人工膝关节结构的改变会对膝关节置换有一定的影响。在TKA中对假体安放的位置有很高的要求,这涉及力学的变化,对日后并发症的发生率有一定的影响。国内有学者通过对5具尸体进行全膝关节置换，在手术过程中对股骨假体内置或外置对膝关节生物力学影响进行研究，结果发现股骨假体的合理放置位置为中立位至外置4 mm之间，否则将导致髌股、胫股接触面积和峰值接触压力发生较大的改变而不利于股骨假体的稳定，而且有可能引起聚乙烯磨损等情况[7]。郑红光等[8]运用有限元分析法对膝关节力学特性进行研究，主要针对TKA后关节线高度的变化对膝关节稳定性的影响，研究结果表明关节线或高或低都会影响TKA后膝关节的力学环境，造成聚乙烯部件应力增加和髌骨运动失稳，所以在手术过程中应尽量保持关节线的原有水平高度，即使出现偏差，也应该控制在4 mm以内。假体运动变化对TKA术后有一定影响,其中良好的旋转对线对避免术后假体松动发生起重要作用，目前国内外已有许多学者做过相关研究， Lützner等[9]认为旋转对线是影响全膝关节术后临床疗效的一个因素，通过对80例患者进行全膝关节置换，术后利用CT对股骨和胫骨部件旋转情况进行测量，结果表明股骨和胫骨部件转动之间超过10°的不匹配会导致全膝关节置换后产生与自然膝关节不同的运动。在此研究基础上还建议用胫骨结节内侧缘到胫骨结节中间三分之一的边界作为建立胫骨组件旋转对齐的位置，以减少术后并发症的发生。胡月正等[10]同样认为减少术后的并发症及降低术后翻修率，选择正确的假体旋转对线尤为重要，但他通过软骨显影MRI技术对膝关节研究后认为用股骨前轴作为全膝关节置换术中旋转对线标准更为合适。术中避免假体部件旋转对线的不一致是尤为重要的，避免术后因产生不良运动而导致植入物松动的发生。无论是膝关节假体的结构位置的改变，还是假体的运动轨迹的变化，这与术者在术中的操作水平有很大的关系，术者需要有很强的专业知识和丰富的手术经验，但往往这些还是存在一定的主观因素。近年来随着计算机导航技术的发展，在此技术下有望实现假体更精确的定位以及结构的稳定，从客观上降低了力学的变化幅度，避免了因主观因素导致术后并发症的发生，从而更接近自然的膝关节。

2.2 关节周围应力分布 膝关节置换中胫股关节，髌股关节应力分布也是影响膝关节置换术临床疗效的一个因素。近年国外有学者[11]采用有限元方法对髌股关节置换和全膝关节置换在股骨远端应力分布的差异上进行研究，认为髌股关节置换和全膝关节置换都可导致假体周围应力遮挡,另外髌股关节置换相对于全膝关节置换应力遮挡程度较小且髌骨假体的设计也可影响髌股关节的应力分布。Steinbrück等[12]对7具新鲜尸体研究发现在TKA术前术后髌骨压力分布有显著变化，在生理膝情况下分布在内侧和外侧反作用于髌骨表面的压力是相似的，在全膝关节置换术后尤其是在极度屈曲时加载在髌骨嵴上的力量是增大的，这可增加髌股关节的压力，从而有可能成为TKA后膝前疼痛的重要原因之一。还有学者研究认为TKA合并髌骨置换不只增加髌股关节压力，而且可降低髌骨关节接触面积，增加髌骨的横向运动[13]。国内学者多从运动状态下和假体植入偏差等方面对人工关节面应力分布进行研究。张绪树等[14]采用有限元分析法对不同运动状态下国产人工膝关节接触压力分布进行研究，结果显示深度屈曲和上楼运动相对于直立和行走的运动方式，其各组件接触压力都是非常大的，然而在正常情况下股骨部件接触压力峰值都是大于胫骨垫组件的，胫骨组件上的应力则相对较小。这对TKA后指导患者日常生活尽量减少深度屈曲和上楼运动以保养人工假体，降低假体松动率的发生，延长可能翻修的时间有一定的帮助。卫晓东等[15]在临床上对TKA后膝关节面间力学特性与假体植入偏差之间的关系进行研究，结果显示股骨假体相对胫骨的内翻偏差对胫骨假体衬垫的最大等效应力和接触应力分布的影响最大,所以在全膝关节置换手术过程中，手术医师应尽量减小股骨假体与胫骨间的内外翻偏差，从而控制假体关节面间的应力变化及应力分布变化。

2.3 假体部件磨损 假体部件磨损情况是判断是否进行人工膝关节翻修的一个重要因素，尤其是聚乙烯衬垫的磨损影响了人工关节的寿命。假体部件磨损因素很多不止与活动水平、肥胖程度、手术技术和制作工艺等方面有关，在一定程度上也可以说是与生物力学相关联的，大多由于人工膝关节的旋转屈伸运动导致。膝关节过伸15°和屈曲120°是膝关节假体部件较高应力集中的活动角度,尤其是股骨相对胫骨的屈曲达到120°时，胫骨平台的后方接近后侧缘处达到了股骨接触应力的最大值，这可引起膝关节假体的松脱和过度磨损[16]。膝关节假体的设计对假体磨损也起到一定影响，严重的还能导致磨损后胫骨的损伤。董黎敏等[17]通过三维重建和有限元分析发现修改假体模型中股骨骨髁曲面曲率,可以改变其应力分布,进而通过优化设计膝关节假体模型,在一定程度上改善人体膝关节假体寿命。另外有研究表明假体植入物的设计是胫骨前部磨损后的损伤主要的决定因素[18]。聚乙烯衬垫的磨损还受到股骨假体植入定位的影响，股骨假体位置的变化会影响聚乙烯衬垫所受的压应力峰值，即使是植入位置的微小变化也有可能出现股骨-聚乙烯衬垫假体间的应力分布异常，所以手术过程中对股骨假体的精确定位非常有利于聚乙烯衬垫表面压应力峰值的降低，从而减少假体的磨损[19]。在人工关节置换过程中，关节假体的型号匹配也非常讲究，刘志宏等[20]运用有限元分析方法对不同配对假体接触表面的应力变化进行研究,结果表明聚乙烯垫片磨损受到多方面的影响，如假体型号不完全匹配，假体接触面最大等效应力的增高，其中后者在不同膝关节活动角度和不同运动状态时也有差异。

3 人工膝关节与软组织力学关系

在人工膝关节置换中由于软组织张力的不平衡可能导致下肢立线不良，膝关节稳定性下降，假体磨损增加，产生疼痛，影响膝关节的活动度等，在膝内外翻畸形中显得尤为突出，软组织的平衡处理在人工膝关节置换中显得异常重要，人们在临床上也越来越重视软组织平衡技术。许多学者通过对膝关节外翻或内翻畸形进行膝关节置换后普遍认为解决软组织平衡需要进行有序的解剖松解，边松解边检查膝关节的活动并进行评估，直至获得满意的膝关节伸屈间隙和更好的髌骨轨迹以及下肢力线，然后安装假体[21-23]。手术过程中我们需要注意的是在软组织松解过程中把握好松解的程度，因为松解的程度会直接导致膝关节软组织的力学变化，松解过度会导致膝关节松弛，松解不足会造成膝关节僵硬，这有一定的技术难度。针对这一技术难题,国外有学者[24]开发了相关的力学传感器,通过在TKA中运用力学传感器实时测量膝关节内外侧软组织张力，从而使软组织尽量达到平衡。

4 人工膝关节置换相关骨重塑

骨重建是指骨骼不断地进行生长和再吸收的一种功能适应性过程，主要是使骨总的结构适应其载荷环境的变化。力学环境的改变直接决定着受力骨组织数量和整骨的外形以及力学性质的改变。应力遮挡是TKA后导致骨吸收的一个重要因素，由于TKA后在负重情况下产生应力重新分配所致骨受力减少。目前人工膝关节置换术中的骨重建主要表现在术后人工关节假体与骨的适应性过程中,由于人工关节假体与骨的弹性模量是不一样的,所以这可能在手术后产生产生应力遮挡效应,从而进一步导致假体周围骨质在骨重塑过程中的流失。 Munro等[25]采用定量计算机断层扫描评估(QCT)辅助骨密度测定法对旋转平台和固定平台膝关节置换术患者术后胫骨骨密度进行测量，发现松质骨的密度损失在2年内高达12.6%，骨皮质密度的损失达3.6%，全膝关节置换后的松质骨密度的减小表明应力传递至骨皮质。这是由于骨皮质和假体弹性模量更加接近，所以骨皮质承受了大部分应力的原因。基于应力遮挡效应，Van-Jonbergen等[26]利用双能X线骨密度仪在股骨远端髌股关节置换术后1年骨密度的测量研究后发现，髌骨置换术后也能够导致远端股骨骨密度降低 。

5 展 望

生物力学的研究对指导临床的手术操作，术后功能康复以及假体改进等各个方面有着非常重要的作用。随着医学、力学、分子生物学以及电子计算机技术等方面的发展，人工膝关节置换中生物力学特性的有限元分析研究将越来越详细，膝关节运动状态，假体部件磨损仍然是有限元分析研究的重点。计算机辅助导航技术已在膝关节置换操作中实现截骨和定位等，减少因结构位置和运动轨迹变化带来的并发症，是未来骨科发展的方向，但是对于内外翻畸形严重及挛缩的膝关节置换，计算机辅助导航技术仍有难以实现定量截骨和精确定位的问题，因此要求从生物力学角度对半月板、韧带稳定性条件等的研究更加细致，以便指导计算机辅助导航技术的发展。随着软组织力学对膝关节置换术中术后的影响研究越来越多，软组织平衡相关仪器的开发虽刚刚开始，还存在许多问题，但日后一定会有很好的发展，在骨重塑中因为应力遮挡导致骨流失将是未来假体生物材料的开发与设计值得研究的一个方面，有很大的研究空间。

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1008-8849(2015)13-1478-04

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