初次全膝关节置换术中使用短延长杆的生物力学研究

赵光辉，马建兵，王建朋

随着手术技术的进步、关节假体材料的发展、骨科医师经验的增加，初次全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）的临床应用取得了巨大的成功[1-3]。然而，一些特殊情况如膝关节多平面不稳、骨缺损、严重的原发性或创伤后骨关节炎等往往使初次TKA变得复杂化，这对骨科医师来说是一个很大的挑战[4]。为了解决这些问题，需要采用各种策略，如不同的韧带平衡技术、特殊的膝关节假体、不同的模块化组件、不同长度的延长杆及不同的假体固定方式（全骨水泥固定、混合固定、生物固定）等[5-7]。

有研究证明，使用胫骨延长杆可以有效分散假体-骨界面的应力，维持假体的稳定性，降低假体松动的概率[8]。既往文献中报道了多种长度的延长杆，如40 mm、50 mm、60 mm、75 mm 及100 mm 等[9-12]。但是，延长杆长度的选择并没有明确的参考标准。此外，研究发现，延长杆远端与胫骨之间可能发生一定程度的微动，有产生局部的应力集中及末端疼痛的风险[13-14]。近年来短延长杆在临床中的使用逐渐增多，且取得了可观的临床结果[12,15-16]。在延长干的固定方面，由于采用全水泥固定的假体翻修时延长杆很难取出，且会损伤过多的宿主骨，因此，除了少数需要全水泥固定的情况外，混合固定技术通常是初次TKA时的首选[17]。

越来越多的研究指出，胫骨假体的短柄设计和初次TKA 术后早期的无菌性松动有关[18-19]。对于无明显骨缺损的患者，一般会选择标准型膝关节假体（CMATM，新华联合，中国台湾）；而对于膝关节翻修的患者，通常会选择翻修型膝关节假体（PSATM，新华联合，中国台湾）。对于初次TKA 合并骨缺损的患者，考虑到初次膝关节假体的短柄设计，一般会选择将标准平台或翻修平台与短延长杆联合使用，使用的短延长杆规格为14 mm×30 mm。标准平台与翻修平台均可以与延长杆联合使用，二者区别在于CMATM平台具有较长的龙骨及胫骨柄。目前鲜有报道这两种平台添加短延长杆是否对减少胫骨平台及胫骨干应力有益及使用何种平台联合延长杆更加有优势。因此，本研究分别建立无骨缺损及两种临床常见的骨缺损的胫骨模型，通过分别置换三种不同组合的胫骨假体，对短延长杆的生物力学影响进行探究。

1 资料与方法

1.1 骨缺损模型的建立

将一名健康成年女性志愿者（身高165 cm，体重50 kg）的胫骨CT 数据导入Mimics 21.0（Materialise Company, Leuven, Belgium）中，采用阈值分割和三维模型计算的方法建立胫骨的三维模型。将模型导入自动逆向工程软件Geomagic Studio 12.0（3D Systems, Inc.，North Carolina, USA）进行平滑及曲面化，获得更优化的骨组织模型。然后，将优化后的模型导入Solidworks 2016（Dassault Systems SolidWorks Corp., Waltham, Massachusetts, USA），建立骨缺损模型（图1）。临床上，胫骨平台缺损通常位于内侧/后内侧。基于既往文献，将骨缺损参数设置为两种[20]：①中度骨缺损，骨缺损深度＜10 mm；②重度骨缺损，骨缺损深度≥10 mm。以上两种骨缺损均采用螺钉+骨水泥栽桩进行修复[21-22]。

图1 无骨缺损及中、重度骨缺损胫骨模型

1.2 关节假体模型的建立

分别选用以下3种不同类型的胫骨假体（图2）：①标准胫骨平台（CMATM）；②翻修胫骨平台（PSATM）+30 mm延长杆；③标准胫骨平台（CMATM）+30 mm 延长杆。聚乙烯衬垫为后稳定型固定平台，上表面为凹面设计，下表面为平面设计。根据对假体测量所得的数据，在SolidWorks 2016 中构建胫骨模型，然后将其安装至胫骨平台合适的位置。

图2 三种不同的胫骨平台假体组合

1.3 螺钉与骨水泥模型的建立

将1～2 枚4 mm×14 mm 的松质骨螺钉（Smith and Nephew, Memphis, TN, USA）斜行植入胫骨缺损区域。用1.5 mm 厚的骨水泥层将胫骨托底部与胫骨上表面连接[23]。为了简化模型，将胫骨放样切除的部分设置为螺钉周围填充骨缺损处所需的骨水泥。所有组件最终在SolidWorks软件中完成组装（图3）。

图3 完整装配体模型

1.4 接触及载荷设置

将组装后的模型输入至ANSYS Workbench 17（Swanson Analysis Systems, Inc., Houston, Pennsylvania,USA）进行网格划分和有限元模拟。所有组件之间采用面-面接触。本研究采用的膝关节假体为后稳定型固定假体，对于无延长杆的胫骨平台采用全骨水泥固定，对于添加延长杆的胫骨平台采用混合固定，即仅在平台底面及龙骨处采用骨水泥固定，而延长杆与胫骨之间采用生物固定。因此，组件间的接触设置为：螺钉/延长杆与松质骨间为摩擦接触，摩擦系数为0.3；其余组件间均采用结合接触。所有组件均为线弹性各向同性材料[24]，各组件材料属性详见表1[20,25]。

对胫骨平台垂直施加1 100 N 的力，相当于模拟体重为50 kg 时胫骨平台在走路时所受到的压力（2.2倍体重）[26]；约束条件为胫骨远端完全固定。由于TKA 追求的是中立位对线，胫骨假体与胫骨机械轴垂直放置，因此，胫骨平台内、外侧所受压力均设置为550 N（图4）。

表1 不同材料的弹性模量与泊松比

图4 有限元模型的载荷及约束

最终，建立了9个有限元模型。模型1～3：无骨缺损；模型4～6：中度骨缺损，采用1 枚螺钉修复；模型7～9：重度骨缺损，采用2 枚螺钉修复（表2）。对模型进行三维有限元应力的定量分析，具体研究指标为（图5）：①在胫骨内、外侧平台中线处各取3个四分位点，测量应力大小；②分别在距胫骨平台远端30 mm、60 mm 处的截面A、B前、后、内、外侧骨皮质各取1个点，测量应力大小；③测量骨缺损模型中骨缺损区的最大应力。

图5 胫骨不同区域的应力点测量

表2 模型1～9及其组件构成

1.5 统计学方法

使用SPSS 22.0 软件进行统计学分析。不同模型中相同测量点的应力使用配对t检验进行比较。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 胫骨平台应力

各模型中胫骨内、外侧平台中线处6 个测量点的应力大小见表3。所有测量点的应力均在松质骨安全范围内（0.1～2.8 MPa）[27]。在无骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆胫骨平台的应力分别增加2.55%和减少11.17%（P=0.766，P=0.168）。在中度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm延长杆胫骨平台的应力分别减少7.54%和22.85%，（P=0.007，P=0.001）。在重度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆胫骨平台的应力分别增加3.95%和减少13.21%（P=0.037，P=0.001）。

表3 各模型中胫骨平台不同测量点应力对比（MPa）

2.2 胫骨截面应力

各模型中胫骨截面A 前、后、内、外侧4 个测量点的应力大小见表4。在无骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆截面A 的应力分别减少4.53%和10.90%（P=0.562，P=0.220）；在中度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆截面A 的应力分别减少8.58%和16.56%（P=0.096，P=0.039）；在重度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆和标准胫骨平台+30 mm延长杆截面A的应力分别减少6.65%和14.88%（P=0.082，P=0.041）。

表4 各模型中胫骨截面A不同测量点应力对比（MPa）

各模型中胫骨截面B 前、后、内、外侧4 个测量点的应力大小见表5。在无骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆截面B 的应力分别减少2.74%和8.67%（P=0.303，P=0.263）；在中度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆截面B 的应力分别减少1.28%和7.97%（P=0.442，P=0.255）；在重度骨缺损模型中，与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆截面B 的应力分别减少1.43%和8.15%（P=0.392，P=0.221）。

表5 各模型中胫骨截面B不同测量点应力对比（MPa）

2.3 骨缺损处最大应力

图6 为各模型中骨缺损处最大的应力云图。与标准胫骨平台相比，使用翻修胫骨平台+30 mm 延长杆和标准胫骨平台+30 mm 延长杆在中度骨缺损模型中骨缺损处所受最大应力值分别减少6.63%和17.75%，在重度骨缺损模型中骨缺损处所受最大应力值分别减少0.25%和11.75%。

图6 模型4～6缺损区最大应力（MPa）

3 讨论

据统计，膝关节置换术后24.2%的失败原因是假体机械性松动，原因之一可能是由于骨-骨水泥、假体-骨水泥界面发生应力变化所致。本研究通过设置3 种不同的胫骨模型（无骨缺损、中度骨缺损、重度骨缺损），分别采用不同的胫骨假体构建有限元模型，通过对比胫骨平台应力及胫骨干不同部位应力的大小来分析TKA 中使用短延长杆的生物力学效应。结果发现，与使用标准胫骨平台相比，对于无骨缺损和合并重度骨缺损，使用翻修胫骨平台+30 mm 短延长杆均不能减少伸直增加胫骨平台及胫骨近端的应力，仅在合并中度骨缺损时显著降低胫骨平台应力；如无胫骨缺损，使用标准胫骨平台+30 mm 短延长杆无法使胫骨平台及近端的应力显著降低；合并胫骨近端骨缺损的情况下，可以使胫骨近端获得的应力显著降低；无论何种类型胫骨平台，联合使用短延长杆均可以显著降低骨缺损处的应力。

既往许多研究证实，对于合并骨缺损的患者，标准TKA 假体联合延长杆可以有效减少假体的微动[28-29]。但是，在经过一段时间后，由于胫骨载荷的异常分布会出现应力遮挡或骨丢失的现象，继而发生假体的磨损及失效。延长杆越长，应力遮挡越高，这在初次TKA 中是不可接受的[30]。强硕等[9]通过对肥胖患者进行胫骨侧应力分布研究指出，与标准平台相比，60 mm 与100 mm 延长杆均会在胫骨近端形成应力遮挡。相比之下，100 mm 延长杆形成的应力遮挡范围更大，高达76%。Conlisk 等[10]对TKA 中股骨侧使用不同长度的延长杆对假体周围骨折风险影响进行分析，结果发现，75 mm 延长杆可以达到和100 mm 延长杆相近的生物力学效果，而且可以保留更多的宿主骨。李峰等[11]对使用40 mm 及75 mm 两种长度的延长杆产生的应力遮挡进行对比，结果发现组配较长的延长杆的假体在胫骨近端造成了更大的应力遮挡范围，高达94.4%。因此，作者认为，对于膝关节翻修的老年女性患者，合并有皮质骨缺损或严重骨质疏松时可以使用较长的延长杆，这将有助于从胫骨近端向远端传导应力，分散皮质骨及近端松质骨的受力，有效降低翻修术后发生假体周围骨折的风险。

最近有研究证明，胫骨假体的短柄设计与TKA术后早期的无菌性松动有关[18]。另外有研究认为，在膝关节置换术后6个月内，胫骨假体下方骨密度会持续降低，其中，术后8 周内骨密度平均下降36.4%[31]。因此，胫骨假体增加延长杆的使用可能对增加假体的使用寿命更加有益。但是，由于长延长杆的应力遮挡作用，以及植入时会损失更多的宿主骨，近些年来，短延长杆受到越来越多的关注。Morwood等[12]通过体外实验将非水泥型胫骨托与50 mm 短延长杆结合，评估假体与骨面的微动情况。结果发现，与标准假体相比，增加短延长杆的使用可以有效减少循环负荷时假体的微动。Garceau 等[19]也指出，在初次TKA 中，病态肥胖和胫骨的短柄设计似乎与无菌性松动有关，这种现象似乎可以通过使用短延长杆来缓解。因此建议，现代短柄胫骨组件可能需要重新设计，在高危患者中可以考虑使用短延长杆或者更换为具有较长的柄设计的假体。

临床工作中，使用较多的假体为联合CMATM及PSATM膝关节假体。通常CMATM假体较多应用于初次TKA，PSATM假体通常被用于TKA 翻修手术。对于特殊类型的患者，如严重骨质疏松或具有较大的骨缺损时，通常会将PSATM或CMATM胫骨平台与30 mm 短延长杆联合使用，以增加假体的初始稳定性、减少胫骨假体的微动、增加假体的寿命。通过临床观察发现，采用以上3 种假体组合进行TKA 的患者术后均取得了满意的疗效。但是，使用不同的胫骨假体组合临床花费各不相同，且使用短延长杆获得的经济学-医学效益仍不明确。因此，通过有限元分析可以在一定程度上比较3 种假体组合的生物力学差异，对临床具有很大的指导意义。本研究基于假体的测量数据进行建模分析，结果发现，相比于标准胫骨平台，翻修胫骨平台+30 mm 短延长杆无法产生显著的应力减少。此外，对于正常骨量，使用标准胫骨平台+30 mm 短延长杆也无法使胫骨近端获得的应力显著减低。当胫骨近端合并骨缺损时，使用30 mm 短延长杆可以使胫骨近端获得的应力显著减低，这与文献中报道的结果一致。换言之，并非所有的TKA 均需要使用额外的延长杆，如果胫骨常规关节柄的设计较短，添加延长杆可能具有更多的益处，如果存在骨缺损，在标准假体的基础上，额外使用30 mm 短延长杆可能对假体的长期生存更加有益。

本研究存在的不足：①本研究选用的模型数据来源于健康的成年女性，尽管参数设置尽可能模拟实际情况，但临床上患者的骨质、骨量各不相同，可能会存在一定的偏倚；②本研究仅对临床常用的CMATM及PSATM联合延长杆进行了分析对比，无法代表临床上使用的其他假体的情况；③本研究仅对30 mm 短延长杆进行了生物力学分析，未对其他规格的延长杆进行比较；④本研究未将关节周围的软组织如韧带、肌腱等进行综合分析，这可能对最终结果产生一定的影响。但本研究对于未来临床上不同患者进行膝关节假体选择时仍具有较大的参考意义及经济学价值。

4 结论

对于无骨缺损的患者，使用标准胫骨平台即可。对于合并骨缺损的患者，建议在标准胫骨平台的基础上添加30 mm短延长杆。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突