牛津膝关节单髁置换术髓内定位误差的有限元分析

徐成，南少奎，李海峰，张栋

(解放军总医院第六医学中心骨科，北京 100048)

牛津膝关节单髁置换术(Oxford unicompartmental knee arthroplasty，OUKA)如今已成为治疗膝关节单间室病变的有效手段，其手术适应证包括膝关节前内侧骨关节炎、膝关节特发性骨坏死[1]。

牛津单髁假体是一种活动垫片假体，特殊设计使其聚乙烯垫片的磨损极低，但也由此造成固定垫片假体没有的并发症——垫片脱位[2]。将股骨假体安装在良好的位置可以明显减少脱位等并发症[3]。为此，牛津的学者们设计了一种全新的MP手术器械系统，希望以此来获得良好的假体植入位置[4]，即在冠状位平面上，股骨假体的纵轴需平行于股骨力线轴，而股骨的力线轴和解剖轴(髓腔中心轴线)之间的夹角约为7°[5](见图1～2)。据此，牛津MP器械系统在植入股骨假体时使用的是髓内定位系统植入股骨髓腔杆来定位股骨解剖轴线，使用音叉装置将髓腔杆与股骨钻孔导向器连接，使6 mm钻头与髓腔杆在冠状面上呈7°角，在矢状面上呈10°角，这使股骨假体在冠状面上轴线与股骨力线平行，在矢状面上呈10°后倾。所以，髓腔杆在股骨髓腔内的摆动角度直接影响着股骨假体的位置。

由于个体差异，股骨髓腔宽度、形态因人而异，也与年龄、性别相关[6-7]，所以髓腔杆在股骨髓腔内的方向并不是严格的股骨解剖轴。髓腔杆在股骨内有一定范围的摆动，这种摆动可能会对股骨假体位置产生影响。本研究利用CT数据建立股骨三维模型，对髓腔杆在股骨内的摆动进行有限元分析，现将分析过程及结果报道如下。

图1 髓腔杆和假体钻孔器在冠状面与矢状面上呈一定夹角 图2 股骨假体纵轴与机械轴平行，矢状面上呈10°后倾

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择我科2019年1月至2019年10月行牛津膝关节单髁置换术的患者23例26膝，其中男8例(9膝)，女15例(17膝)；平均年龄为(65.9±11.1)岁；平均身高为(163.5±10.3)cm；平均身体质量指数(body mass index，BMI)为(25.1±4.2)kg/m2；左膝10例，右膝10例，双膝3例。术前使用64排螺旋CT行全股骨CT检查。

1.2 模型建立 根据临床常用髓腔杆数据，使用Solidworks 2016软件建立直径为4.2 mm、总长为30 cm和20 cm两种髓腔杆模型。将患者股骨薄层CT图像(Dicom格式，扫描层距0.625 mm)导入Mimics 21.0软件中获得股骨皮骨质结构，建立髓腔中空的股骨三维模型(见图3～4)。

利用3-Matics 13.0软件，对股骨和髓腔杆进行装配。根据牛津MP操作器械系统推荐，沿股骨髁间窝内侧壁向前作延长线，在该线上选择距离髁间窝前内侧缘1 cm为开髓点置入髓腔杆(见图5)，调整置入点和置入角度(见图6)。利用Geomagics 2014软件对股骨模型进行优化并拟合曲面，输出IGES文件。将装配、优化后的文件，导入Ansys Workbench 19.1软件，利用显示动力学模块进行下一步分析。

图3 使用Mimics软件建立股骨三维模型 图4 使用Solidworks 2016软件建立髓腔杆模型

图5 模拟置入髓腔杆位置 图6 调整髓腔杆的角度使其不与股骨皮质重合

1.3 角度测量 在Ansys Workbench 19.1软件内，进行两种髓腔杆偏移角度的测量。约束股骨皮质表面，利用Joint运动副模拟髓腔杆与股骨远端接触部分的旋转运动，于髓腔杆顶端分别施加18个方向应力，每个方向之间间隔20°，当髓腔杆与股骨内壁接触并停止时，获取髓腔杆顶点等效位移。设定0°方向为冠状面向右方向(见图7～8)，我们定义股骨内外髁和股骨大粗隆最后缘的三个点所构成的平面为冠状面，垂直于冠状面且经过股骨机械轴的平面为矢状面。

利用Solidworks软件建立髓腔杆在股骨内活动范围示意图(见图9～10)，其中A为髓腔杆尖端在冠状面最大摆动距离，B为矢状面最大摆动距离，P为髓腔杆插入髓腔内长度。分别计算髓腔杆在矢状面和冠状面上的最大摆动范围(见图11)。Sin(α/2)=(A/2)/P，所以冠状面摆动角α=2×arcsin(A/2)/P，同理矢状面摆动角β=2×arcsin(B/2)/P。

图7 划分网格后将模型导入Ansys软件 图8 获取髓腔杆顶点等效位移

图9 30 cm髓腔杆摆动范围图 图10 20 cm髓腔杆摆动范围图 图11 最大摆动距离测量示意图

2 结 果

测量30 cm髓腔杆在髓腔矢状面摆动最大范围(1.10±0.72)°，冠状面摆动最大范围(0.85±0.55)°，3例30 cm髓腔杆无法完全插入股骨髓腔的情况。20 cm髓腔杆在股骨髓腔矢状面摆动最大范围(4.36±0.95)°，冠状面摆动最大范围(3.77±1.00)°。同一种髓腔杆在矢状面摆动的最大范围均大于冠状面的摆动范围，差异具有统计学意义(P<0.05，见表1)。

表1 两种髓腔杆在髓腔内矢状面和冠状面上的最大摆动角度

在矢状面和冠状面上，30 cm髓腔杆摆动的最大范围均明显小于20 cm髓腔杆，差异具有统计学意义(P<0.05)。而且30 cm髓腔杆和20 cm髓腔杆在两个平面上的摆动范围具有显著相关性(见表2)。

表2 髓腔杆摆动角度与杆长、摆动平面的相关性分析

3 讨 论

牛津膝关节单髁置换术MP操作系统使用髓内定位的方法植入股骨假体，其髓内定位精确性影响着股骨假体植入位置。与全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)不同的是，OUKA开髓点更偏内侧，在髁间窝内侧壁沿长线上，距股骨髁间窝前内侧1 cm处，使用的髓腔杆更细。MP系统提供了两种长度的髓腔杆：20 cm、30 cm。股骨假体纵轴需平行于股骨力线轴，而股骨髓腔中线与力线轴呈7°夹角。因此，髓腔杆定位精度直接影响着股骨假体的植入位置。Kang等[8]使用有限元分析的方法对OUKA术进行分析，发现股骨假体内外翻会对衬垫磨损、外侧间室退变、内侧副韧带张力产生影响，当内外翻超过9°时影响尤为明显。

本研究模拟了OUKA术中置入股骨髓腔定位杆的操作，建立了髓腔杆在股骨髓腔内摆动的有限元模型。通过该模型测量了20 cm和30 cm两种长度髓腔杆在髓腔内的摆动范围。蔡俊丰等[9]报道了使用Mimics建立股骨三维模型，并手动测量髓腔杆摆动范围，结果显示30 cm髓腔杆摆动角度范围冠状位(0.50±0.27)°，矢状位(0.86±0.39)°，该结果与我们的测量结果接近。由于股骨髓腔形状不规则，且存在前弓，所以基于目视手动测量的方法无法精确找到髓腔杆在冠状面和矢状面上的最大摆动范围。我们使用有限元分析的方法，通过加力使髓腔杆在髓腔内任一位置向18个方向运动，碰触到髓腔内壁后停止并获得杆尖端的位移，由此可以近似绘出髓腔杆在髓腔内的活动范围图，该范围在矢状面的投影即为髓腔杆在矢状面上的最大摆动范围，在冠状面上的投影为髓腔杆在冠状面上的最大摆动范围(见图12～13)。该方法可以更为精确地获得髓腔杆在两个方向上的最大摆动角度。

我们在研究中发现，20 cm髓腔杆插入股骨后其尖端均无法达到股骨峡部，而30 cm髓腔杆尖端则明显超过股骨峡部。Su等[10]建立了426例股骨三维模型，显示股骨存在向前外侧方向的弯曲，这种股骨前外弓限制了30 cm髓腔杆向股骨后内方向的摆动，故其在股骨矢状面的摆动范围明显小于股骨峡部髓腔前后径，对于某些股骨前弓较大、峡部髓腔较窄的患者，存在髓腔杆无法完全插入髓腔的情况。但在术中并未发现髓腔杆无法完全插入的情况，推测可能是因为髓腔杆直径较细，推进中产生轻度形变从而适应髓腔形态。Yang等[11]使用术中透视的方法对插入股骨的髓腔杆进行研究，发现12例(占总研究病例的24%)患者插入股骨的髓腔杆存在大于1°的成角形变。这也印证了我们的观点。对于这部分患者，30 cm髓腔杆便不太适用，术中可能发生髓腔杆穿破皮质造成骨折的风险。我们对30 cm髓腔杆和20 cm髓腔杆摆动角度进行相关性分析，发现在同一平面上，两种髓腔杆的摆动范围是明显相关的，当30 cm髓腔杆摆动较小时，20 cm髓腔杆的摆动范围也较小。对于30 cm髓腔杆无法完全插入的患者，可以改用20 cm髓腔杆进行手术。

图12 30 cm髓腔杆摆动范围模式图 图13 20 cm髓腔杆摆动范围模式图

本研究测量结果显示20 cm髓腔杆在髓腔内的摆动角度明显大于30 cm髓腔杆，这与预期结果是一致的，也和文献的结果一致[12]。如前所述，20 cm髓腔杆插入股骨后其尖端均无法达到股骨峡部，而30 cm髓腔杆尖端则明显超过股骨峡部，同时20 cm杆在髓腔内摆动时不受股骨前外弓的影响，所以其尖端活动范围接近髓腔内径，这也使其摆动范围明显大于30 cm杆，这会导致部分髓腔宽的患者其股骨假体植入位置偏差过大。就像前文所说，股骨前弓和峡部直径可能会对髓腔杆的摆动范围产生明确影响，但是我们目前的研究无法证实，希望进一步研究加以证明。

本研究建立了髓腔杆在髓腔内摆动运动的有限元模型，并证明使用30 cm髓腔杆所产生的摆动误差明显小于20 cm髓腔杆，其定位更加精确，但对于身材矮小的患者可能出现30 cm髓腔杆无法完全插入或者插入后髓腔杆变弯，对于这类患者我们推荐使用20 cm髓腔杆。