单髁置换术后膝关节内外侧间室应力变化有限元分析

贾笛 李彦林 杨龄坚 蒙旭晗 何川

昆明医科大学第一附属医院运动医学科（云南昆明 650032）

膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthro⁃plasty，UKA）因手术创伤小、保留正常骨量多、不破坏伸膝装置及前交叉韧带从而获得更接近于正常膝的功能等优势，是许多医生治疗膝关节内侧间室骨关节炎（osteoarthritis，OA）的首选方案[1，2]。但许多学者对UKA的临床疗效致怀疑态度，认为其术后过高的翻修率严重影响手术远期疗效，不值得推荐。Dyrhovden等[3]对比研究UKA与全膝关节置换术（total knee arthroplas⁃ty，TKA）10年至20年生存率发现，UKA较TKA术后具有更高的翻修率，翻修主要原因为对侧间室OA进行性加重；同时年龄低于65岁的患者经历UKA后翻修率升高，因此认为从术后生存率角度来分析，UKA不如TKA。Jeon等[4]比较了UKA与胫骨高位截骨手术疗效后发现，术后6月内UKA临床疗效显著高于胫骨截骨术，但术后12月至术后2年期间二者无明显差异，而胫骨截骨术后下肢力线矫正优于UKA，最终认为，对于年轻患者而言，胫骨高位截骨术优于UKA。

UKA临床疗效存在争议，且多数学者认为其远期疗效不佳，而长期的临床随访过程耗费时间及成本较大，且可能受患者主观因素影响。本研究使用三维有限元分析方法研究UKA术后膝关节与正常膝关节屈曲活动过程中关节面应力的变化及差异，同时与项目组前期对TKA术后膝关节假体界面应力变化研究结果进行比较分析，探讨UKA的优势及劣势，并寻找可能影响UKA术后远期疗效的力学方面原因，为治疗膝关节OA选择合理的术式提供依据。

1 临床资料

1.1 研究对象

随机选取6名在昆明医科大学第一附属医院就诊的老年女性膝关节内侧间室骨性关节炎患者（平均年龄64.5±4.04岁，平均身高157.67±1.63 cm，平均体重59.17±1.72 kg，其中3例为左膝，3例为右膝）及3名既往无膝关节疾患成年女性（平均年龄34.67±1.53岁，平均身高161.0±1.73 cm，体重57.33±2.08 kg）为研究对象，对3名正常人进行双膝关节MRI及双下肢CT扫描；对6名膝关节内侧间室OA患者进行术前患膝MRI扫描及术后下肢CT扫描。

牛津第三代活动平台型假体（美国邦美商贸有限公司），所有患者术中使用假体皆为小号股骨假体、小号4 mm活动型聚乙烯衬垫及AA胫骨底座（分左右）。

1.2 研究工具

128排双源螺旋CT（SIEMENS，德国），G1.5T超导型磁共振（General Electric Company，美国），3DSS ST⁃DLED III型激光扫描仪（上海数造机电科技有限公司），Mimics 17.0图像分割处理软件，Geomagic Studio 12逆向工程软件，Abaqus 6.10有限元分析软件。

1.3 研究方法

MRI及CT二维影像扫描数据以DICOM格式保存并导入Mimics17.0软件中，使用阈值分割及区域增长描绘并提取出膝关节主要骨性结构及软组织结构，并按照解剖标志进行配准，得到同一人既包含骨性结构又包含软组织结构的下肢三维模型（图1）。对UKA术中患者使用的假体进行三维激光扫描，使用Geomagic Studio 12软件建立假体三维模型（图2），在Mimics17.0软件中使用点对点配准技术将假体安装到膝关节相应位置[6]，使用Abaqus 6.10对膝关节各内部结构设置材料属性，施加边界条件及网格划分处理，对膝关节施加400N方向沿股四头肌向上的力量模拟股四头肌拉力，施加300N方向沿股四头肌向下的力量模拟身体重力[5]，模拟膝关节动态屈曲0至120°，为方便描述，提取0°、30°、60°、90°、120°对膝关节表面应力大小进行分析。

图1 下肢三维模型

图2 单髁假体三维模型

1.4 统计学方法

试验数据采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，以单因素方差分析比较膝关节屈曲角度对关节面接触应力是否有影响，使用LSD-t检验比较分析正常组与UKA组及TKA组关节面接触应力是否有差异，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 正常膝、UKA及TKA术后膝不同屈曲角度下关节面接触应力值

本研究使用Von Mise应力作为评价关节面受外力水平的指标，它表示材料的屈服准则，即物体产生屈服变化所需要的应力，我们使用其最大值即最大等效应力来描述膝关节内部材料受到的应力大小[7，8]（图3、图4、图5）。试验结果与既往文献试验数据[9，10]比较，结果具有一致性，证明模型有效。TKA术后内外侧胫股关节面最大有效应力值数据选自本项目组前期的研究结果[11，12]，使用统计学分析，探讨不同术式对聚乙烯衬垫的磨损影响。不同屈曲角度下三组膝关节内外侧间室最大等效应力值见表1、表2、表3。

统计学结果显示：三组膝关节内外侧间室应力随屈曲度数加深，胫股关节表面应力大体呈上升趋势，其中正常组内侧间室应力于屈曲60°时达最大，外侧间室于屈曲90°时达最大，屈曲30°以后，内侧间室应力大于外侧间室有统计学意义（P＜0.05）；UKA术后组内侧间室应力于屈曲90°时达最大，外侧间室应力于屈曲120°时达最大，除屈曲30°及120°下内外侧间室应力比较差异无统计学意义外，其余屈曲角度内，侧间室应力大于外侧间室均有统计学意义（P＜0.05）；TKA术后组内侧间室应力于屈曲120°时达最大，外侧间室应力于屈曲30°时达最大，所有屈曲角度下内侧间室应力都大于外侧间室，差异有统计学意义（P＜0.05）。

屈曲0°、30°、120°时三组实验对象内侧间室应力两两比较均无统计学差异（P＞0.05），屈曲60°、90°时，UKA术后组内侧间室应力大于TKA术后组有统计学差异（P＜0.05）；所有屈曲角度下，UKA术后组外侧间室应力都大于TKA术后膝组，差异有统计学意义（P＞0.05）；屈曲0°、30°、60°及120°时，UKA术后组外侧间室应力都大于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图3 正常膝关节不同屈膝角度下胫骨内外侧表面应力分布

图4 UKA术后膝关节不同屈曲角度下聚乙烯衬垫表面应力分布

图5 UKA术后膝关节不同屈曲角度下胫骨外侧表面应力分布

表1 三组膝关节胫股关节接触面最大等效应力（±s，Mpa）

表1 三组膝关节胫股关节接触面最大等效应力（±s，Mpa）

屈曲度数（°）0 30 60 90 120正常组（n=6）内侧间室6.44±0.61 12.29±0.27 24.1±0.07 15.36±0.08 17.12±1.48外侧间室8.32±0.38 3.91±0.4 1.6±0.6 11.68±1.13 10.79±1.87 UKA术后组（n=6）内侧衬垫8.23±4.14 12.12±4.06 15.78±2.93 19.57±2.34 19.41±2.26外侧间室15.76±0.31 15.44±0.23 23.43±0.82 10.84±0.21 20.89±0.3 TKA术后组（n=3）内侧衬垫8.40±1.02 10.43±0.69 11.09±0.97 12.87±0.78 18.85±0.76外侧衬垫5.58±0.56 8.05±0.09 6.15±0.78 0.02±0.01 0

表2 三组膝关节内外侧间室统计值

表3 不同组间统计值

3 讨论

3.1 膝关节屈曲运动时关节面接触应力

本试验发现正常膝屈曲过程中胫骨平台表面应力随屈膝度数加深而增加，并主要集中于内侧表面。该结果符合黄振宇等[13]的实验结论，即正常膝关节中，随着屈曲度数加深，内侧间室应力逐渐增加，并超过外侧间室，随着膝关节OA的进展，内侧间室应力不断集中加强，外侧间室应力则无显著变化。对于UKA及TKA术后膝关节，随着屈曲度数加深，接触应力基本呈上升趋势，且内侧间室应力几乎都大于外侧间室。该趋势与既往研究结果相似[14-17]，而两种术后膝关节都在屈曲角度较大时出现应力高峰，分别集中于UKA术后膝的衬垫的中后部及TKA术后膝的衬垫内侧后方，提示高屈曲角度下，假体应力集中，易发生磨损，且磨损位置多集中于内侧衬垫后方。

本试验还发现UKA组内侧间室应力几乎都高于TKA组，屈曲60°及90°为我们生活中膝关节和活动较常使用的屈曲角度，UKA术后膝关节在该角度下反复活动，将加速衬垫的磨损；而几乎所有屈曲角度下UKA组外侧间室应力都显著高于TKA组及正常组，提示UKA术后外侧间室较TKA更容易出现磨损，也进一步证明UKA术后可能加速未置换间室OA发展。

单髁假体磨损较全膝假体更容易发生，一方面与假体的设计有关：单髁假体的金属股骨假体与聚乙烯衬垫的接触面及金属胫骨底座与聚乙烯衬垫接触面较全膝假体接触面积小，接触面积与接触应力呈反比关系，全膝假体间更大的接触面较容易分散垂直应力，减少局部应力集中，可有效减少假体磨损[18、19]；另一方面UKA术后膝关节内外侧间室所受应力与置换侧选择的衬垫厚度及假体放置位置有关。Zhu等[20]使用有限元分析方法模拟胫骨底座不同位置放置，发现内翻超过4°时，将增加对侧间室应力；而超过外翻4°放置，将显著增加置换侧间室的应力，因此认为假体的正确放置，是延长假体使用寿命及提高UKA临床疗效的重要因素。再加上许多医生进行UKA时常为了保留更多骨质，而牺牲聚乙烯衬垫的厚度，使用较薄的衬垫，以及骨组织与聚乙烯碎屑对关节面形成的第三体磨损效应[19、21]都将使得衬垫更早、更容易出现磨损。以上原因可能都是导致UKA术后假体磨损较快、翻修率高于TKA的原因。

3.2 UKA术后对侧间室进展性OA力学分析

本研究对三组膝关节外侧间室应力比较后，发现几乎在所有屈曲角度下UKA组外侧间室应力都大于正常组及TKA组，说明UKA可能加速未置换间室OA的发展。我们认为UKA术后外侧间室应力集中的原因在于UKA只置换内侧间室，一旦假体位置或截骨后力线不正，将直接影响胫股关节内外侧间室应力分布，造成局部应力集中现象，若应力集中于外侧间室，将引起或加重外侧间室OA。这与Zhu等[20]结论一致，他们认为胫骨元件超过4°内翻放置可加速外侧间室OA。Kim等[7]认为UKA术中下肢力线矫正过度（外翻力线超过180°）、MCL损伤或膝关节OA进展可导致该并发症。而反观TKA，该术式对膝关节内外侧间室统一置换，假体接触面积更大，应力相对容易分散，不易出现应力集中现象。

因此，UKA治疗膝关节OA尽管有创伤小、保留正常组织功能多、术后恢复快等独特优势，但一定要在适应症范围内选择该术式。从本试验研究得出的结论看，UKA术后假体界面应力高、未置换间室OA进行性发展等影响术后远期疗效的问题不容小视。基于试验结果，我们对术者手术操作及患者术后生活进行以下建议：胫骨元件放置内外翻均不超过4°[20]，在不违背手术原则及不影响关节面滑动的前提下尽可能使用较厚的聚乙烯衬垫；假体设计在不牺牲活动性的前提下尽可能增加假体间接触面积。患者应尽量避免膝关节高屈曲范围的活动，如爬坡、爬楼、爬山及深蹲，并注意选用坐便器如厕[22，23]；严格控制体重，最好将BMI值控制在小于24.99范围内[24]，以减少过高的垂直应力对假体的磨损。在严格把握手术适应征、优化手术操作、优化假体设计及指导患者合理锻炼后，UKA在治疗膝关节OA方面仍然具有优势。