晚期大骨节病全膝关节置换术后假体周围应力与骨密度的变化情况

王继成，张先娇，聂治军，易 智，徐洪海，刘时璋，常彦海，郭 雄

大骨节病(Kashin-Beck disease,KBD)是一种地方性、多发性和变形性骨关节病[1]，膝关节晚期KBD患者多采取全膝关节置换术(TKA)治疗。TKA通过置入人工膝关节假体，重建膝关节结构，改善关节功能，减轻患者疼痛，提高患者的生活质量[2-3]。TKA术后患者假体周围的骨密度往往会发生改变。对术后假体周围应力及骨密度变化进行评估，可有效判断骨量流失情况，监测预后效果。2014年1月～2016年6月，陕西省人民医院骨科采用TKA治疗24例膝关节晚期KBD患者，本研究分析行TKA术后患者假体周围应力及骨密度的变化情况，报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例资料纳入标准：① 符合KBD诊断标准[4]；② 初次行TKA；③ 随访期间患者未长期应用激素及可能影响骨骼代谢的药物；④ 随访时间>1年；⑤ 未合并其他疾病影响膝关节评估，如类风湿关节炎、骨关节炎、创伤后关节炎、强直性脊柱炎。本研究纳入24例膝关节晚期KBD患者，男5例，女19例，年龄50～72 (64.5±4.9)岁。病程10～35 (17.5±4.1)年。合并症：高血压病10例，糖尿病3例，冠心病5例。本研究获得陕西省人民医院伦理委员会批准，患者均签署知情同意书。

1.2 术前准备完善常规检查，积极治疗合并的内科疾病，以降低术后并发症风险。完善影像学检查，包括摄膝关节负重位X线片，必要时行CT+三维重建检查。术前评估膝关节活动度、髌骨活动度、下肢神经血管功能、股四头肌肌力等。在无禁忌证的情况下，切皮开始前静脉滴注氨甲环酸注射液0.5 g，减少术中出血。

1.3 手术方法硬膜外麻醉或全身麻醉。患者仰卧位。大腿上段绑止血带，做膝前正中纵向切口约15 cm，髌旁内侧入路，清除周围骨赘，显露胫骨内侧缘，向外翻转髌骨并依次切除髌上囊、髌下脂肪垫、滑膜、半月板及前后交叉韧带。根据畸形情况依次松解挛缩韧带及软组织：① 对于内翻内旋畸形者，松解半膜肌附着点，显露胫骨后内侧，切除股骨远端和胫骨平台内侧骨赘，松解胫骨后内侧的侧副韧带。② 对于外翻外旋畸形者，松解髂胫束、外侧副韧带、腘肌腱及后外侧关节囊。③ 对于严重屈曲挛缩畸形者，则先行一期股骨、胫骨截骨后进行软组织松解，股骨远端初次截骨一般10～11 mm，胫骨近端初次截骨一般6～8 mm，增加截骨1～2 mm，截骨宁少勿多，尽量保留骨量。去除髌骨周围骨赘，高频电刀去神经化处理，安装假体前确认下肢力线、关节活动度、内外翻平衡及髌骨运动轨迹，安装假体后膝关节伸直位等待骨水泥固化。膝屈曲80°～90°位缝合切口，留置引流管，关闭关节囊之后向关节腔内注射50 ml含0.5 g 氨甲环酸的生理盐水，加压包扎。

1.4 术后处理使用抗生素1～3 d，利伐沙班片、低分子肝素注射液常规抗凝7～10 d。采用连续股神经阻滞、非甾体类抗炎药等多模式镇痛。术后48 h内拔除引流管后开始功能锻炼，术后2～3 d采用CPM机功能锻炼，同时在医生的指导下行踝泵、直腿抬高、膝关节屈伸功能锻炼等。

1.5 观察指标与疗效评价① 采用膝关节KSS评分评估膝关节功能。② 膝关节假体周围分区及周围应力分析：将假体周围区域分为7个兴趣区，其中股骨假体周围分为4个兴趣区，分别记为ROIⅠ～Ⅳ区，胫骨假体周围分为3个兴趣区，分别记为ROI 1～3区，见图1。分别在置换后1、3、6、12、24个月对患者双侧膝关节进行CT扫描并建立模型，应用大型有限元分析软件Ansys 8.0进行应力分析，根据膝关节肌肉和关节合力数据模拟患者实际体重在平地匀速行走时，足跟着地时的膝关节受力状态以分析双侧股骨髁、胫骨平台应力变化。应力遮挡是一种生物力学现象，主要发生于金属置入物置入活体骨组织后，置入物承受了大部分的应力作用，改变了对骨组织的正常机械刺激，促使置入物周围骨组织的结构、密度、硬度和力量发生适应性改变[5]，而应力遮挡作用的大小可以用应力遮挡率来表示，其计算公式为μ=(1-σ有/σ无)×100%。μ：应力遮挡率；σ有：有内固定时骨断层应力；σ无：无内固定时骨断层应力。③ 膝关节假体周围骨密度测定：分别在置换后1、3、6、12、24个月利用双能X线骨密度仪(DEXA,GE LUNAR公司)进行扫描并分析。为消除假体干扰，骨密度仪扫描软件分析时可直接去除假体。根据兴趣区分区，分别2次测量股骨、胫骨每个区域的骨密度，取平均值。所有的测量及分析工作由同一医师完成，以保证评估TKA后假体周围骨密度的准确性。

2 结果

患者均获得随访，时间24～30个月。术后X线检查评估所有假体位置良好，力线获得改善。术后均无肺栓塞和深静脉血栓等并发症发生，未出现假体周围透明带、假体下沉或松动。

2.1 膝关节功能评估见表1。KSS评分术后1、3、6、12个月均高于术前，差异均有统计学意义(P<0.05)；术后不同时间点比较差异均有统计学意义(P<0.05)，说明随着时间的延长，膝关节功能在不断改善。

2.2 膝关节假体周围应力分析见表2。假体周围兴趣区各分区的应力遮挡率术后各时间点比较差异均有统计学意义(P<0.05)。假体周围兴趣区各分区的应力遮挡率术后呈先升高后下降的趋势，以术后6个月兴趣区各分区的应力遮挡率最高。

2.3 膝关节假体周围骨密度分析见表3。术后1个月各兴趣区域骨密度无明显变化，与健侧比较差异无统计学意义(P>0.05)；术后3、6、12、24个月各兴趣区域的骨密度出现显著变化，与健侧比较差异均有统计学意义(P<0.05)。术后6个月及以后假体各兴趣区域骨密度下降逐渐趋于平缓，但骨量的丢失并未停止。术后3个月及以后，各兴趣区域的骨密度不同时间点比较差异均有统计学意义(P<0.05)。

2.4 典型病例见图2、3。

3 讨论

3.1 膝关节KBD特点KBD具有较高的致残率，在我国，陕西省是全国KBD重病区省份之一。晚期KBD膝关节明显增粗、肥大、畸形或合并半脱位，骨性关节面硬化，关节间隙明显狭窄甚至消失，导致关节内外成角、屈曲挛缩、旋转畸形。刘慧通 等[6]通过对KBD与骨关节炎膝关节股骨内外髁横径和股骨髁前后径比较发现，KBD膝关节股骨内外髁横径和股骨髁前后径小于骨关节炎膝关节，差异有统计学意义。不同膝关节KBD患者解剖特点存在差异，常表现为股骨髁严重变短、变宽，畸形发育的外髁低平，内外髁横径明显大于股骨髁前后径，手术治疗时术中操作难度较高，术中选用假体型号以中、小号居多，部分患者甚至需根据术前影像学参数定制假体。

表1 手术前后膝关节KSS评分比较[n=24,分，

表2 患者假体周围区域不同时间应力遮挡率的比较

表3 患者术后假体周围区域不同时间的骨密度比较

3.2 TKA导致假体周围生物力学改变传统评价TKA预后的优劣主要依据患者的临床情况以及影像学检查，包括膝关节功能、稳定性、关节活动范围、有无疼痛。虽然X线片可以评价假体的位置以及假体周围的骨质情况(骨-假体或骨-骨水泥界面)，测量膝关节力线，为临床提供感染、松动、下沉的依据，但无法对骨密度的减少进行量化。因此用X线片来评价假体周围骨密度是不可靠的，不利于对假体周围的骨质情况进行及时、确切地观察。根据Wolff定律，人工关节假体植入后，关节假体材料的弹性模量远高于人体骨骼的弹性模量，股骨远端和胫骨近端应力发生遮挡，假体周围骨骼进行适应性骨重建，异常应力分布引起假体周围骨质溶解，骨量丢失，导致骨密度降低，即应力遮挡[7-11]。由于KBD膝关节股骨髁严重变短、变宽，内外髁横径大于髁前后径，为避免切除膝关节过多的骨质,TKA术中通常采用多次少量截骨，阶梯松解，在截骨前、截骨时、截骨后植入假体前逐步进行松解，在松解过程中应关注下肢力线和关节稳定性变化[12-14]，避免松解损伤或过多截骨。

3.3 KBD行TKA后评估方法我们认为，KBD行TKA后采取有效手段定期测定假体周围应力与骨密度，可作为评价TKA治疗晚期KBD患者预后的重要指标。三维有限元分析能够精确体现膝关节周围组织应力分布[15]，准确评价TKA术后假体周围应力变化，双能X线吸收测量法被认为是骨质疏松诊断治疗的金标准，对人体辐射量小，可重复测量，目前用于监测并诊断骨质疏松，评估骨折风险。本研究结果显示，TKA术后膝关节功能恢复情况证实TKA可明显改善患者膝关节活动情况，进一步通过三维有限元分析术后膝关节假体周围应力变化，证实置换后6个月兴趣区各分区的应力遮挡率增加。随着时间的延长，股骨假体周围ROI 1区应力遮挡率逐步减小，由于胫骨假体周围ROI 1区应力遮挡率最大，导致该区域骨质丢失较多；而股骨假体周围ROI Ⅲ区应力遮挡率最小，因此该区域骨质受损较小。利用双能X线吸收测量法跟踪随访发现KBD患者TKA术后3个月，假体周围骨密度出现显著减少，与三维有限元分析术后膝关节假体周围应力变化一致，降低最显著的是胫骨假体周围ROI 1区，骨密度相对下降较少的是股骨假体周围ROI Ⅲ区。术后6个月胫骨假体周围骨密度降低最为显著。术后12个月，兴趣区各区骨密度下降逐渐趋于平缓。本研究证实膝关节假体周围骨密度减少与应力遮挡率量的变化一致，而且骨质丢失、骨密度减少与应力遮挡率改变在时间的变化具有一致性。

本研究分析了膝关节晚期KBD行TKA术后24个月内假体周围的骨质变化情况，认为TKA术后假体周围应力及骨密度会出现变化且存在相关性。因此，术后采取有效方法定期测定假体周围应力与骨密度，可作为观察TKA术后疗效的重要手段。