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文檔簡介

1、全膝關節置換后關節線變化對髕股關節生物力學的影響 中國組織工程研究 第20卷 第13期 20160325出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research March 25, 2016 Vol.20, No.13 www. CRTER.org ·研究原著· 王 韜(河南中醫學院第一附屬醫院骨傷科,河南省鄭州市 450000) 文章快速閱讀: 文題釋義: 全膝關節置換假體對線不良:有關節線位置變化、軸向對線不良以及旋轉對線不良3種,旋轉對線不良可以增加扭轉應力和屈膝不穩定,引起聚乙烯襯墊磨損和假體松動,軸向對線不良導致脛骨平臺負

2、荷偏心,聚乙烯襯墊加劇磨損,引起假體松動,旋轉對線不良和軸向對線不良目前的研究已經比較廣泛和深入。 關節線異常:髕股關節的生物力學特性受關節線的影響,關節線的異常會引起生物力學的變化,引起膝關節疼痛。正常的關節線在股骨外上髁下1 cm、腓骨小頭上1 cm或者股骨內上髁下2.5 cm。 摘要 背景:全膝關節置換翻修的主要原因除感染外,聚乙烯襯墊磨損以及假體松動也是最常見的原因,關節線高度對髕股關節生物力學的影響尚無定論。 方法:建立全膝關節置換后膝關節三維有限元模型,計算膝關節屈曲度在0°,30°,60°和90°時不同關節線高度對股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和

3、髕股關節間作用力變化的影響。 結果與結論:膝關節屈曲0°時,關節線高度在-3-4.5 mm變化對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力沒有太大影響。在膝關節屈曲30°-90°時,關節線高度在3 mm以下對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力影響不大;關節線高度超過3 mm對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的影響比較明顯。因此建議全膝關節置換術中關節線的高度最好控制在正負3 mm以內。 關鍵詞: 骨科植入物;人工假體;全膝關節置換;關節線;假體;聚乙烯襯墊;三維有限元;髕股關節;生物力學 主題詞: 關機成形術,置換,膝;假體植入;有限元分析;生物力學;

4、組織工程 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 王韜,男,1970年生,河南省滑縣人,漢族, 1999年鄭州大學醫學院畢業,碩士,副主任醫師,主要從事關節及關節鏡方面的研究。 中圖分類號:R318 文獻標識碼:A 文章編號:2095-4344 (2016)13-01845-07 稿件接受:2016-02-03 http:/WWW. 1845 Wang Tao, Master, Associate chief physician, Department of Orthopedics and Traumatology, First A

5、ffiliated Hospital, Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450000, Henan Province, China www. CRTER.org Effects of joint line changes on biomechanics of patellofemoral joint after total knee arthroplasty Wang Tao (Department of Orthopedics and Traumatology, First Affiliated Hospital, Henan

6、University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450000, Henan Province, China) Abstract BACKGROUND: In addition to infection, the reasons for total knee arthroplasty revision are polyethylene liner wear and prosthesis loosening. The impact of joint line height on patellofemoral biomechanics was inconclusi

7、ve. OBJECTIVE: To study the impact of joint line changes after total knee arthroplasty on patellofemoral joint biomechanics. METHODS: Three-dimensional finite element models were established after total knee arthroplasty. The impact of different joint line height on quadriceps tensile force, patella

8、 tendon tension, and patellofemoral joint forces was calculated at range of flexion of 0°, 30°, 60° and 90°. RESULTS AND CONCLUSION: (1) At knee flexion of 0°, the height of the joint line in -3 mm-4.5 mm did not have great impacts on quadriceps tensile force, patella tendon

9、 tension and patellofemoral joint forces. (2) At knee flexion of 30°-90°, the height of the joint line below 3 mm did not have great impacts on quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces. The height of the joint line more than 3 mm had obvious impacts

10、on quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces. (3) It was recommended that the height of joint line in total knee arthroplasty was preferably controlled within 3 mm. Subject headings: Arthroplasty, Replacement, Knee; Prosthesis Implantation; Finite Element Analy

11、sis; Biomechanics; Tissue Engineering Cite this article: Wang T. Effects of joint line changes on biomechanics of patellofemoral joint after total knee arthroplasty. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(13):1845-1851. 0 引言 Introduction 人工全膝關節置換是膝關節疾病的最終治療方案,隨著技術水平的不斷發展,全膝關節置換術的成功率和滿意度不斷提高。盡管如此,仍

12、有各種原因導致膝關節術后翻修,翻修手術的主要原因除了感染因素外,最常見的原因是聚乙烯襯墊的磨損以及假體的松動。假體對線不良是導致聚乙烯襯墊模型和假體松動的主要原因,聚乙烯襯墊的磨損和假體的松動同時有加劇假體的對線不良,最終引起膝關節不穩定,假體對線不良也會引起膝關節功能障礙和膝關節疼痛。 全膝關節置換假體對線不良有關節線位置變化、軸向對線不良以及旋轉對線不良3種,旋轉對線不良可以增加扭轉應力和屈膝不穩定,引起聚乙烯襯墊磨損和假體松動,軸向對線不良導致脛骨平臺負荷偏心,聚乙烯襯墊加劇磨損,引起假體松動,旋轉對線不良和軸向對線不良目前的研究已經比較廣泛和深入。在全膝關節置換術翻修手術中,關節線的變

13、化發生率比較高,關節線過高或過低都將造成不良影響。對于關節線變化對膝關節功能的影響有多大及關節線在什么范圍內變化對膝關節功能的影響比較小目前尚無定論。 文章通過建立全膝關節置換后膝關節三維有限元模型,觀察膝關節屈曲不同度數時的股四頭肌拉力、骸 1846 韌帶拉力和髕股關節間作用力變化,以及關節線高度在-3-4.5 mm范圍內改變時,不同膝關節屈曲度對股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節間作用力變化的影響。 1 對象和方法 Subjects and methods 1.1 設計 三維有限元分析,生物力學試驗。 1.2 時間及地點 于2014年9月至2015年6月在河南中醫學院第一附屬醫院實驗室完成

14、。 1.3 材料 后穩定性膝關節假體:由美國施樂輝公司提供。 設備:CT機為美國GE醫療公司提供,掃描層厚度 1 mm;計算機工作站DELL Precision T5400圖形工作站。 軟件:Abaqus6.10(法國Dassault公司);Geomagic Studio 11(美國Raindrop公司); Solid works2012(美國Dassault Systemes S.A公司);Catia V5 R16(法國Dassault公司);Mimics 10.01(比利時Materialise公司);HyperMesh 10.0(美國Altair公司);Simpleware2.0(英國S

15、impkware公司)。 1.4 對象 選取1名身體健康的男性志愿者,年齡40歲,體質量90 kg,身高180 cm,既往無外傷及手術時,無遺傳病及慢性病史,拍片及CT掃描排除股骨病變。 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org CRTER.org 1.5 方法 頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節間作用力變化,此次建立下肢骨骼實體三維有限元模型1:CT機以 研究在無重力作用、固定股骨、脛骨施加載荷的情況下, 1 mm的層厚從上到下進行掃描,將得到的掃描圖像導入Mimics軟件,經軟件自動處理,標準各層面的骨輪廓,手工對各層圖像進行修補處理。制作髕骨

16、、脛骨和股骨的幾何模型文件。將得到的模型文件保存為STL格式,導入Geomagic Studio軟件中,經過數據處理,建立輪廓線,生成實體模型,保存為IGES文檔,并導入Catia V5 R16和Solid works軟件,通過截骨和建立組成膝關節的骨骼,生成三維幾何模型(見圖1)。 圖1 全膝關節置換后膝關節三 維有限元模型 Figure 1 Three-dimensional finite element model of the knee after total knee arthroplasty 建立膝關節假體三維有限元模型:用三維定位掃描 儀對膝關節假體進行掃描,獲得膝關節假體數據。

17、將獲得的數據導入Geomagic Studio軟件中,經過數據處理,建立輪廓線,生成實體模型,保存為IGES文檔,并導Abaqus 6.10軟件,形成三維實體模型,然后采用10節點四面體對單元進行劃分。 建立全膝關節置換后膝關節三維有限元模型:將上述 建造的骨骼和假體模型導Solid works軟件,按照以下限定條件安裝假體:設定截骨平面與脛骨矢狀面垂直,與脛骨水平面成5°角后傾,距離脛骨上端10 mm,脛骨假體下表面與截骨平面重合,脛骨假體縱軸和脛骨矢狀面重疊;定義一個具股骨髁遠端8 mm與脛骨截骨面相平行的平面,使其與股骨假體遠端內表面重合;設定一個緊貼股骨前側骨皮質、與股骨前髁

18、內表面重合的平面;在Solid works軟件中按上述限定條件安裝假體,生成全膝關節置換后膝關節三維有限元模型,見圖1。 股骨頭的機械特性設置:皮質骨、松質骨、股骨髁 部件、金屬基座和超過分子量聚乙烯的彈性模量分別為17 000,350,210,112,8.1 MPa,皮質骨、松質骨、股骨髁部件、金屬基座和超過分子量聚乙烯的泊松比都設置為0.3,0.25,0.3,0.34,0.4。 應力載荷的施加設置:本文在股骨固定,脛骨加載, 沒有作用的條件下觀察膝關節屈曲不同度數時的股四 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 膝關節由屈曲90°直至伸

19、膝0°時的伸膝裝置應力變化。股骨近端固定,其他方向自由度為0,內外側方向為X軸,前后方向為Y軸,遠端近端方向為Z,股骨內外上髁中點為選擇中心,股骨及其假體元件在X軸上位移0。股骨和股骨假體完全綁定,股骨假體和聚乙烯襯墊間設為滑動和滾動,脛骨及其假體和聚乙烯襯墊完全綁定,X軸上脛骨位移自由度0°;髕骨韌帶長度不變,髕骨X軸在股骨內外髁切面上,髕骨在Z軸的旋轉自由度為3°、位移約束2 mm,在X軸的旋轉自由度為2°、位移約束2 mm,在Y軸的位移約束為0.3 mm。49 N的力施加在脛骨遠端的Y軸方向上,維持限定條件恒定,以1.5 mm為單位,在-3-4.5

20、 mm范圍內改變聚乙烯襯墊厚度,計算膝關節屈曲度在0°,30°,60°和90°時股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節間作用力的變化情況。 1.6 主要觀察指標 在股骨固定,脛骨加載,沒有作用的條件下觀察膝關節屈曲0°,30°,60°,90°時測定股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節拉力值。 2 結果 Results 2.1 正常關節線時不同膝關節屈曲角度與股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節間作用力的關系 見表1。 表1 正常關節線時不同膝關節屈曲角度與股四頭肌拉力、骸 韌帶拉力和髕股關節間作用力的關系 (N) Tabl

21、e 1 Relationship between different knee flexion angle with quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces with normal joint line 項目 屈曲度(°) 0 30 60 90 股四頭肌拉力 137.5 122.1 115.2 129.8 臏腱拉力 134.6 132.1 91.7 51.2 髕股關節間作用力 3.25 66.3 104.2 140.5 由表1可以看出,股四頭肌拉力在膝關節屈曲0&

22、#176;時最大,90°時其次,在60°時最小;臏腱拉力在0°時最大,隨著膝關節屈曲角度的增加,臏腱拉力逐漸減少,90°時最小;髕股關節間作用力在0°時最小,隨著膝關節屈曲角度的增加,髕股關節間作用力不斷增加,90°時最大。 2.2 膝關節屈曲0°時不同關節線高度股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的變化 見表 2。 1847 able 2 Changes of quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces

23、 at knee flexion of 0° 項目 關節線高度(mm) -3 -1.5 1.5 3 4.5 股四頭肌拉力 132.5 133.9 138.0 144.7 144.0 140.7 臏腱拉力 130.7 131.5 134.6 141.6 140.9 138.4 髕股關節間作用力 1.69 2.29 3.27 3.08 3.08 2.17 由表2可以看出,膝關節屈曲0°時,股四頭肌拉力和臏腱拉力相當,髕股關節間作用力明顯低于股四頭肌拉力和臏腱拉力,三者呈平行關系,關節線高度在-3-4.5 mm變化時對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的影響不大。 2.3

24、膝關節屈曲30°時不同關節線高度股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的變化 見表3。 表3 膝關節30°時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作 用力變化 (N) Table 3 Changes of quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces at knee flexion of 30° 項目 關節線高度(mm) -3 -1.5 1.5 3 4.5 股四頭肌拉力 115.9 119.4 123.8 110.2 112.3 155.0 臏腱拉力

25、126.0 127.7 132.1 119.6 120.8 166.9 髕股關節間作用 62.8 63.9 66.1 59.6 60.3 83.5 由表3可以看出,膝關節屈曲30°時,臏腱拉力大于股四頭肌拉力大于髕股關節間作用力,三者呈平行關系,關節線高度在-3-3 mm變化時對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的影響不大,關節線高度在4.5 mm時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力明顯增加。 2.4 膝關節屈曲60°時不同關節線高度股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的變化 見表4。 表4 膝關節60°時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力變

26、化 (N) Table 4 Changes of quadriceps tensile force, patella tendon tension and patellofemoral joint forces at knee flexion of 60° 項目 關節線高度(mm) -3 -1.5 1.5 3 4.5 股四頭肌拉力 106.5 111.5 113.8 111.6 132.5 141.9 臏腱拉力 86.7 89.1 91.5 89.2 105.9 113.4 髕股關節間作用力 88.9 101.8 104.6 102.4 121.5 130.1 1848 www. C

27、RTER.org 由表4可以看出,膝關節屈曲60°時,股四頭肌拉力大于髕股關節間作用力大于臏腱拉力,三者呈平行關系,關節線高度在-3-1.5 mm變化時對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的影響不大,關節線高度在3-4.5 mm時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力明顯增加。 2.5 膝關節屈曲90°時不同關節線高度股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的變化 見表5。 表5 膝關節90°時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作 用力變化 (N) Table 5 Changes of quadriceps tensile force, patella t

28、endon tension and patellofemoral joint forces at knee flexion of 90° 項目 關節線高度(mm) -3 -1.5 1.5 3 4.5 股四頭肌拉力 143.6 134.1 129.8 119.6 162.8 174.0 臏腱拉力 56.7 52.9 51.1 47.1 64.2 68.7 髕股關節間作用力 154.8 144.5 140.0 128.9 175.5 187.6 由表5可以看出,膝關節屈曲90°時,髕股關節間作 用力大于股四頭肌拉力大于臏腱拉力,三者呈平行關系,關節線高度在-3-1.5 mm變化

29、時對股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力的影響不大,關節線高度在3-4.5 mm時股四頭肌拉力、臏腱拉力和髕股關節間作用力明顯增加。 3 討論 Discussion 全膝關節置換可以改善關節功能,緩解關節痛疼,提高患者生活質量,是嚴重膝關節疾病的重要治療手段。隨著技術的不斷進步,全膝關節置換的預后明顯得到改善2 ,但部分患者存在置換后疼痛3 ,術后滿意度并不高4。影響患者術后滿意度的因素包括:患者的一般因素:年齡 5-8 ,家庭收入、教育水平等 9-10 。患 者的心理因素:心理健康的人滿意度高11-12 。置換前 膝關節功能:置換前膝關節評分低,有膝關節退行性病 變者術后滿意度低 13-

30、14 。修復入路:微創修復入路 滿意度高于傳統修復入路15-16 。計算機導航:在計 算機導航下能夠準確糾正力線,提高滿意度17 。假 體設計:活動性平臺假體設計滿意度高于固定平臺假 體設計 18-19。髕骨是否置換:髕骨是否置換目前尚未 統一意見20 ,有研究顯示髕骨置換組和未置換組的滿意 度無差別,但置換組術后并發癥及返修率低 21 。置換 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 后疼痛22-24 :術后疼痛是全膝關節置換術后的常見并發癥,其發生率比較高;術后疼痛如果不加以控制,會引起患者病理生理變化,增加并發癥的發生,影響膝關節置換效果

31、 25-28 。置換后膝關節功能恢復情況 29 :膝關節功能恢復好置換后滿意度較高。在所有引起患者對全膝關節置換不滿意的原因中,置換后疼痛是最常見和最主要的原因。 置換后疼痛是全膝關節置換后最復雜和最常見的并發癥,置換后發生率為6%-13% 30 ,術后疼痛嚴重影 響患者術后的生活治療,甚至影響到整個手術的成功與否。引起置換后疼痛的原因主要有關節外因素和關節內因素兩種 31 。關節外因素常見的原因為腰部病變,部分 患者腰部病變的疼痛置換前被膝關節疼痛所掩蓋,置換后膝關節的疼痛逐漸緩解,則腰部病變的疼痛被引起關注 32 。關節內因素包括:置換后感染:早期感染比較常見,容易發現,慢性深部感染癥狀不

32、典型,診斷比較困難 33 。置換后關節不穩定:全膝關節置換后屈曲不 穩或者軸向不穩都是膝關節不穩的表現,都會引起疼痛,肌腱受損往往是軸向不穩定最常見的原因,屈曲不穩在膝關節術后疼痛中也比較常見。對線不良:對線不良包括軸向對線不良和旋轉對線不良,當術中脛骨或者股骨假體內旋放置是可能會導致屈曲不穩或者膝前疼痛,軸向對線不良會引起聚乙烯襯墊負荷增加,磨損加快,反過來加重對線不良,導致關節疼痛。膝關節僵硬或者粘連:膝關節粘連會引起疼痛,疼痛反過來加重粘連,周圍軟組織平衡不當、假體位置不當或者型號不匹配都會引起膝關節粘連或者僵硬,導致術后疼痛 34 。關節線異常:髕股關節的生物力學特性受關節線的影響,關

33、節線的異常會引起生物力學的變化,引起膝關節疼痛。正常的關節線在股骨外上髁下1 cm、腓骨小頭上1 cm或者股骨內上髁下2.5 cm 35 。伸膝 裝置問題:膝前疼的最主要原因是伸膝裝置問題,股骨或者脛骨假體裝置不當是引起關節并發癥的常見原因,另外髕骨假體放置位置不當,髕骨截骨不對稱,伸膝裝置不平衡都會導致髕骨不穩定,引起膝前痛。假體松動:慢性關節疼痛可由假體松動引起,活動時疼痛加劇,假體松動的發生率可達5.4%-6.1% 36-37 。假體周圍骨 折:全膝關節置換術后假體周圍骨折是一個嚴重并發癥,內置物引起的應力遮擋和外傷是假體周圍骨折的直接原因,骨質疏松、骨皮質磨損、股溶解或吸收等是危險因素

34、 38 。 全膝關節置換不管是翻修手術還是初次手術,關節 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH www. CRTER.org 線發生變化的比例都比較高,在因為關節不穩定接受膝關節翻修手術的患者中39 ,有78%的患者發生脛骨關節 線上移,也有研究發現在膝關節翻修術后有80%的患者 發生脛骨關節線上移 40 ,脛骨截骨量不足是初次全膝關 節置換關節線發生改變的最常見原因,增加脛骨截骨解決術前屈曲畸形會導致關節線降低,過大的間隙用加厚的聚乙烯襯墊糾正會引起關節線抬高。關節線的位置抬高,會使髕骨的位置相對降低,引起伸膝裝置緊張,關節屈曲受限,引起術后膝前

35、痛,同時,髕骨過低使伸膝杠杠臂變短,伸膝時能量消耗增加,肌腱勞損,甚至撕裂,髕骨位置低還增加聚乙烯襯墊的磨損。關節線過低,引起髕骨相對過高,導致關節不穩定,以及膝前疼痛。確定關節線的高度與術后膝關節功能關系密切,不僅可以避免失誤,還可以比較好的恢復膝關節功能。膝關節是人體最復雜的關節,包括伸屈運動、內外旋運動以及轉動、滑動和滾動等,關節線發生變化后膝關節運動的生物力學變化比較復雜,因此對關節線變化對膝關節功能影響的研究比較困難,相應的研究也比較少。現有的研究結果差別也比較大,有研究對膝關節翻修病例進行研究,發現關節線上移在8 mm以內時,對膝關節功能的影響不大40 ,也有對膝關節翻修病例的研究

36、發現關節 線在4 mm以內變化對膝關節的評分影響不大41 ,Li 等 42 對膝關節置換前后的關節線變化情況進行研究發 現,關節線升高3-6 mm輕微影響膝關節的屈曲運動功能,關節線升高6 mm以上明顯影響膝關節的屈曲功能,關節線下移不超過6 mm對膝關節屈曲運動功能的影響不大,還有一項研究認為關節線在5 mm內變化對膝關節運動功能沒有明顯影響 43 。由此可見,關節線的變化 可以影響髕股關節的生物力學特征,從而影響膝關節的功能變化。對于關節線的變化對膝關節的生物力學有多大的影響以及關節線那種程度的變化對膝關節功能的影響最大尚無定論。 對膝關節的生物力學進行研究,首先要解決關節對位問題,大多研

37、究認為股四頭肌和臏腱韌帶的拉力是一致的,在二維模型中將髕股關節簡化成滑輪結構44 ,實 際上基于二維模型的結果是不對的,股四頭肌的拉力和 臏腱拉力并不一致 45 。此次研究通過建立全膝關節置換 后膝關節三維有限元模型,在股骨固定,脛骨加載,沒有作用力的條件下觀察膝關節屈曲不同度數時的股四頭肌拉力、骸韌帶拉力和髕股關節間作用力變化,在維持限定條件恒定的情況下,以1.5 mm為單位,在-3至 4.5 mm范圍內改變聚乙烯襯墊厚度,計算膝關節屈曲 1849 致謝:對本次研究過程的相關參與人員以及為本次研究提供幫助的機構和人員表示感謝。 作者貢獻:作者負責設計和實施并負責文章的修改。 利益沖突:文章及

38、內容不涉及相關利益沖突。 倫理問題:試驗方案經河南中醫學院第一附屬醫院倫理委員會批準,試驗方案已經患者/家屬知情同意。 文章查重:文章出版前已經過CNKI反剽竊文獻檢測系統進行3次查重。 文章外審:本刊實行雙盲外審制度,文章經國內小同行外審專家審核,符合本刊發稿宗旨。 作者聲明:文章第一作者對研究和撰寫的論文中出現的不端行為承擔責任。論文中涉及的原始圖片、數據(包括計算機數據庫)記錄及樣本已按照有關規定保存、分享和銷毀,可接受核查。 文章版權:文章出版前雜志已與全體作者授權人簽署了版權相關協議。 4 參考文獻 References 1 Sato T,Koga Y,Omori G.Three-d

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