单髁置换术后胫骨平台近端愈合前后的生物力学研究

王献抗，黄绍祥，周 雷，杨 友

(1.天津市骨植入物界面功能化与个性化研究企业重点实验室，天津 300190；2.嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司，天津 300190)

目前，随着社会老龄化进程，骨性关节炎已成为老年人最主要的致残原因之一，患者疼痛难忍且无法正常行走，严重影响患者的生活品质。对于晚期重度膝关节炎，多数患者会选择单髁置换术(UKA)甚至全膝关节置换术(TKA)。SATKU[1]调查发现，在人工全膝关节置换患者中，5%～20%为膝关节单间室病变。对于单间室病变的患者，与TKA相比，UKA提供了更为有效的微创手术方案，单髁置换保留了交叉韧带等膝关节解剖结构，从而保留了膝关节力学机制。UKA手术创伤小、费用低、恢复快，临床效果显著，引起了极大的关注，但其术后早期胫骨假体周围骨折与疼痛仍无法避免，并最终导致翻修为TKA.

据临床经验及相关文献表明，胫骨假体周围骨折约占UKA翻修原因的1%，通常发生在单髁置换术后1周内，而在那些刚刚开展单髁关节置换术的外科医师手中，或者在那些先天性胫骨较小的亚洲人群中，胫骨假体周围骨折更易发生。另外，单髁置换术后，患者经常抱怨胫骨平台前内侧疼，在术后早期这种现象比较常见，大多数患者在一年后疼痛减轻。然而，一些患者在术后一年仍然存在不明原因的疼痛[2]，且随着时间推移，疼痛会更加严重，甚至导致胫骨假体周围骨折，患者疼痛难忍时，就会考虑假体翻修，在临床上造成这种疼痛的原因及机制尚不清楚。这些并发症或许可归结于胫骨平台近端反常过高的骨应变，但皮质骨过高的应变分布最终可能削弱骨重建进而导致骨退化。手术中胫骨过度截骨是造成此类并发症的常见原因之一，过多截骨会在胫骨平台切割面出现骨缺损，造成切割面应力集中，胫骨平台承载能力降低，当膝关节受力过大时易造成胫骨平台假体周围骨折。然而，通过试验方法直接在体内测量胫骨近端应变分布并不可行，因此，本文从生物力学角度研究胫骨平台近端愈合前后的应力与应变分布规律，为深入探讨临床上胫骨平台近端术后骨折及疼痛机理等并发症的力学机制提供理论参考，且文中胫骨平台的不同切割方案造成的生物力学规律可为临床手术提供参考。

1 有限元模型及边界条件

根据单髁手术技术，规划了3种不同胫骨切割面模型，如图1所示。图1(a)锐角切割模型为标准正常手术技术切割形状；图1(b)过切割模型为手术中过度切骨的示意形状，根据CLARIUS et al[3]的统计，矢状面切骨超过4 mm的发生率达到18%，超过8 mm的发生率达到3%；图1(c)圆角切割模型为优化的胫骨切割面形状，即在水平截骨与竖直截骨的相交位置加钉孔，以此来避免锐角切割面造成的应力集中，进而造成较大的骨应变。对于圆角切割模型，临床上已有部分应用，但假体植入后愈合前后的生物力学机制仍不明确。

图1 胫骨平台切割面模型Fig.1 Model of cut surface of tibial plateau

1.1 有限元模型

对健康男性胫骨断层CT扫描，扫描层厚为1.5 mm，扫描层数330层，应用Mimics软件，通过阈值分析、空洞修补建立包含皮质骨与松质骨的胫骨近端模型。然后，将胫骨模型与假体三维模型导入三维软件进行装配，建立上述3个不同胫骨平台切割面的有限元模型，根据文献膝关节步态屈曲35 °时达到峰值载荷，在该屈曲角度下的三维模型如图2(a)，最后导入有限元软件并建立有限元模型如图2(b)所示。在单髁置换术后的即刻稳定期(愈合前)，通过设置上述模型的胫骨切割面与骨水泥界面为摩擦接触来模拟。在长期稳定期(愈合后)，通过设置上述模型的胫骨切割面与骨水泥界面为绑定接触来模拟。根据上述方法分别得到单髁置换术后假体愈合前后的仿真模型，获得愈合前(即刻稳定)与愈合后(长期稳定)胫骨近端在轴向加载条件下的应力应变分布规律。其中，胫骨平台底面与胫骨界面设置1 mm厚的骨水泥层，平台龙骨与松质骨槽界面设置0.5 mm骨水泥层，通过抽中面功能设置骨水泥为面单元网格类型，摩擦接触算法为增广拉格朗日算法，收敛精度取为0.1%.

图2 单髁置换有限元模型Fig.2 UKA finite element model

1.2 边界条件及材质

采用的边界条件：约束胫骨远端位移。模拟体重为70 kg的人在步态周期中胫骨平台轴向负载，外侧承重40%(870 N)，内侧承重60%(1 160 N)[4-5]，对内侧髁假体施加1 160 N轴向载荷，外侧平台施加870 N轴向载荷。有限元模型中各材质的材料参数如下表1所示[6-7]。

表1 材料参数Table 1 Mechanical properties of materials

2 计算结果与分析

为定量研究胫骨平台近端应力应变规律，对胫骨平台周围划分5个区域，如图3所示。区域A位于胫骨干骺端前内侧皮质，区域B位于水平截骨面与竖直截骨面的拐角，区域C位于胫骨平台龙骨槽下方的松质骨处，区域D与E分别位于龙骨槽的内外侧松质骨处。

图3 胫骨平台5个区域位置示意Fig.3 Position of the 5 areas of tibial plateau

2.1 胫骨近端皮质骨应力分布

单髁置换术后内侧胫骨平台骨折是一种极其严重的并发症，这种并发症也许与手术技术有关。胫骨平台近端骨折线始于胫骨平台切割面拐角，止于内侧干骺端皮质。

图4-图6为3种模型的胫骨皮质骨等效应力与最大主应力分布云图，由图可知，最大应力主要集中于胫骨切割面的前后端皮质以及胫骨干骺端皮质。

图4 胫骨皮质骨等效应力Fig.4 Von Mises stress of tibial cortical bone

图5 胫骨皮质骨最大主应力Fig.5 Maximum principal stress of tibial cortical bone

图6 胫骨皮质骨切割面处应力分布Fig.6 Stress distribution at cut surface of tibia cortex

数值仿真分析表明：对于锐角模型，最大等效应力与最大主应力均发生在胫骨切割面的前端，最大应力分别为23.57 MPa和20.48 MPa.

当胫骨竖直切割面过切时，最大等效应力与最大主应力转向胫骨切割面的后侧，且应力数值分别增加了2.1倍和2.5倍。另外，对于过切模型，胫骨切割面后侧的皮质骨应力远大于前端皮质骨的应力，当最大主应力超过胫骨的强度极限时，则很容易引发胫骨平台近端骨折，且骨折方向沿着胫骨平台切割面拐角后方向切割面拐角前方以及胫骨干骺端延伸。

对于第3种圆角模型，在胫骨平台切割面拐角处倒圆后，最大等效应力相对过切模型降低了62%，相对于锐角模型降低了19%.而最大主应力相对过切模型降低了73.8%，相对于锐角模型降低了35%.因此，当在切割面拐角处倒圆后，将很大程度上降低胫骨平台近端骨折的风险。

2.2 胫骨近端应变分布

由于单间室膝关节置换术后保留了更多的解剖结构，所以，单髁置换相对全膝置换能提供更好的运动学功能。然而，单髁植入后的早期，一些患者在日常活动中受到了胫骨近端前内侧疼痛的困扰，这种莫名的疼痛总是在术后一年慢慢消失。例外的是，在一小部分患者中，一年后疼痛仍持续并可能恶化。在临床上这种疼痛的原因及机制尚不清楚。

胫骨切割面愈合前，松质骨最小主应变分布云图如图7所示；愈合后，松质骨的最小主应变分布云图如图8所示。由应变云图可知，在胫骨近端愈合前，完整模型的最小主微应变为3 557.而单髁置换后初期，胫骨切割面拐角、龙骨槽处以及胫骨近端前侧的微应变远高于4 000，其中锐角模型的最大微应变数值为8 032，过切模型的最大微应变数值为9 622，圆角模型的最大微应变数值为7 378，且最大微应变值均发生在胫骨近端前内侧，这与临床上，患者单髁置换后发生疼痛的部位相一致。

图7 胫骨松质骨切割面处愈合前最小主微应变Fig.7 Minimum principal strain before healing at the cut surface of tibia cancellous bone

图8 胫骨松质骨切割面处愈合后最小主微应变Fig.8 Minimum principal strain after healing at the cut surface of tibia cancellous bone

随着切割面处骨骼重塑愈合，在完整模型、圆角模型以及锐角模型除去微应变集中点的异常值，微应变值均低于3 746.圆角模型的微应变基本下降至较低水平，最大微应变数值为3 746.然而，过切模型以及锐角模型的局部区域在愈合后，微应变数值仍高于4 000.

以上这种应变分布规律变化，解释了为什么大多数患者在术后第一年内，疼痛自然消退。而当一些更极端的假体占据了相当大的比例且微应变高于4 000的阈值时，患者会出现胫骨退行性改变。 这可能是在临床中，假体植入后一年，患者的膝关节疼痛仍未减轻甚至出现恶化，进一步引起骨折，最终选择翻修的原因。

图9-图13分别为：图3中胫骨平台5个区域位置在愈合前后的最小主微应变、最大主微应变以及等效微应变分布规律。可知，最大微应变主要集中于松质骨，皮质骨近端存在较小的微应变，数值大概为620.

图9 近端内侧胫骨干皮质处主微应变和等效微应变Fig.9 Principal and equivalent strains at proximal medial tibial shaft cortex

由图10、图11可知，在愈合前，切割面拐角B处，过切模型的最小主微应变较锐角模型增加了65%，最大等效微应变较锐角模型增加了67%；而圆角模型的最小主微应变较锐角模型降低了23.6%，最大等效微应变较锐角模型降低了25%.切割面龙骨槽C处，过切模型的最小主微应变较锐角模型增加了22%，最大等效微应变较锐角模型增加了18.8%；而圆角模型的最小主微应变较锐角模型降低了19.5%，最大等效微应变较锐角模型降低了18.7%.在愈合后，圆角模型的微应变值均低于其余两个模型的微应变值。由图12与图13可知，在龙骨槽两侧与上述具有类似的微应变分布规律，而微应变值相对稍小。

图10 胫骨平台切割面拐角处主微应变和等效微应变Fig.10 Principal and equivalent strains at the corners of the cut surface of tibial plateau

图11 胫骨平台龙骨槽处主微应变和等效微应变Fig.11 Principal and equivalent strains at the keel groove of tibial plateau

图12 胫骨平台龙骨槽内侧主微应变和等效微应变Fig.12 Principal and equivalent strains of the medial keel groove of tibial plateau

图13 胫骨平台龙骨槽外侧主微应变和等效微应变Fig.13 Principal and equivalent strains outside the keel groove of tibial plateau

3 讨论

骨重塑是一个复杂的过程[8]，虽然机械应变可以局部改变骨骼结构[9]，但胫骨平台过切也是造成微裂纹损伤的一种催化剂[10]。当胫骨竖直切割面过切时，胫骨切割面后侧的皮质骨应力远大于前端皮质骨的应力，当最大主应力超过胫骨的强度极限时，则很容易引发胫骨平台近端骨折，且骨折方向沿着胫骨平台切割面拐角后方向切割面拐角前方以及胫骨干骺端延伸[11-15]。对于圆角模型，在胫骨平台切割面拐角处倒圆后，最大等效应力相对过切模型降低了62%，相对于锐角模型降低了19%.而最大主应力相对过切模型降低了73.8%，相对于锐角模型降低了35%.因此，当在切割面拐角处倒圆后，将很大程度上降低胫骨平台近端骨折的风险。骨骼的微裂纹损伤演化是一种老化过程的自然现象，术后胫骨平台微应变的增加也许会增加微裂纹的分布区域。另外，当微裂纹处较高的微应变超过骨重建所需的微应变阈值，骨重建过程将退化，且微裂纹会进一步延伸，加剧了胫骨平台局部的损伤。这可能是疼痛在一些患者中持续存在，并且出现进一步恶化的原因。

这项研究表明，在术后早期，假体与胫骨平台间处于即刻稳定期(愈合前)，此时，胫骨平台假体周围存在较大的微应变，尤其在胫骨前内侧存在微应变集中，这些应变也许与植入假体后患者抱怨膝关节前内侧疼痛有关。另外，根据胫骨近端微应变分布规律，当假体与胫骨平台间处于长期稳定(愈合后)，微应变值大部分已降低至正常水平，这是由于随着时间的推移，骨重建过程削弱了这些较高微应变，因此，临床上这种疼痛总是在假体置换一段时期后才慢慢消失。因此，临床上，在术后一年，不能因为初期不明原因的疼痛而选择去翻修，除非已明确表现出具体的原因。此外，本研究也表明了胫骨近端微应变过大的增加是由于不当的手术操作，而不是因为假体置换术。因此，在临床实践中应谨慎并避免这种影响因素。

4 结论

本文通过有限元仿真对单间室膝关节置换术后，胫骨平台近端在即刻稳定期(愈合前)与长期稳定期(愈合后)的应力应变规律进行了生物力学研究。对于正常手术进行的锐角切割胫骨平台模型，胫骨平台过切将明显增加胫骨近端后侧的等效应力与最大主应力以及主应变。胫骨平台切割面拐角处倒圆后，在愈合前后，胫骨平台近端的应力与应变均明显降低。研究结果可为单髁置换的临床中胫骨优化的圆角切割面提供生物力学依据，且文中提到的圆角切割模型可避免术中失误过切导致胫骨后侧皮质损伤，进而引发术后胫骨平台近端骨折的并发症风险。同时，也为临床中单髁术后胫骨平台近端骨折及术后疼痛并发症的机理探讨提供了一定的理论依据。