人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)研究進(jìn)展

袁振中,陳躍平

(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)研究生學(xué)院,廣西 南寧 530001;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院,廣西 南寧 530011)

人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)研究進(jìn)展

袁振中1,陳躍平2

(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)研究生學(xué)院,廣西 南寧 530001;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院,廣西 南寧 530011)

人工全膝關(guān)節(jié)置換;生物力學(xué);假體;有限元分析

人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA )是為減輕患者膝關(guān)節(jié)疼痛、改善膝關(guān)節(jié)功能和維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定所采取的一種外科手術(shù)方式，即將關(guān)節(jié)假體直接植入體內(nèi)，在病情嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)疾病中使用的比較普遍。它是臨床治療晚期膝骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)、關(guān)節(jié)畸形，關(guān)節(jié)重大創(chuàng)傷等嚴(yán)重膝關(guān)節(jié)疾病最為有效的方法。國內(nèi)有研究報(bào)道在我國有膝骨性關(guān)節(jié)炎X線表現(xiàn)的60%來自大于55歲的中老年人群,KOA的發(fā)病率可達(dá)85%的老年人一般在65歲以上[1]。如今，KOA的發(fā)病率隨著人口老齡化的加劇而增長迅速，越來越多的患者開始選擇關(guān)節(jié)置換手術(shù)，對(duì)這一手術(shù)方式的認(rèn)識(shí)也得到了臨床醫(yī)師的認(rèn)可。目前在臨床上和人體試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在TKA手術(shù)過程中，生物力學(xué)的研究及應(yīng)用對(duì)于術(shù)中截骨矯形，安放膝關(guān)節(jié)假體，制定術(shù)后康復(fù)方案的都有著非常重要的意義。本文就近年來生物力學(xué)在人工膝關(guān)節(jié)中的歷史，人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)特性研究、關(guān)節(jié)置換中軟組織平衡、膝關(guān)節(jié)相關(guān)骨重塑方面進(jìn)行探討。

1 人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)研究歷史回顧

Boyd于1938 年就開始在膝關(guān)節(jié)成形方面使用鑄造的金屬股骨髁假體,并獲得了良好的臨床效果。1953 年，Walldius等[2]在沒考慮膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)原則的情況下應(yīng)用丙烯酸甲脂制作出了鉸鏈?zhǔn)饺斯はリP(guān)節(jié)假體，直到1971年 Gunston等[3]第一次在臨床上使用金屬-高分子聚乙烯組合的人工膝關(guān)節(jié)假體,并首次根據(jù)生物力學(xué)原則提出多中心假體的設(shè)想,其設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)在形狀和結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)的假體，屬半限制性假體,即應(yīng)用單個(gè)假體部件取代相對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)面以維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定，模擬膝的運(yùn)動(dòng)。之后Converty等[4]相繼設(shè)計(jì)出幾何型和解剖型的全膝關(guān)節(jié)假體，這些假體與關(guān)節(jié)的匹配越來越符合生物力學(xué)的要求，隨后又設(shè)計(jì)出了多種關(guān)節(jié)假體，如全髁型假體及后來根據(jù)其改進(jìn)并開發(fā)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)假體和后方穩(wěn)定型的假體，更加符合了自然膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性，滿足不同患者的需求。

2 人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)特性研究

雖然在臨床上對(duì)于膝關(guān)節(jié)的疾病中，特別是那些嚴(yán)重破壞關(guān)節(jié)面，疼痛明顯，影響正常行走及日常生活的，越來越多的醫(yī)師及患者選用膝關(guān)節(jié)置換，但隨著臨床的大量使用，其手術(shù)后出現(xiàn)的問題也越來越多，有些可能是災(zāi)難性的，如假體松動(dòng)、關(guān)節(jié)僵硬、假體周圍骨折、關(guān)節(jié)磨損等,這些問題與生物力學(xué)息息相關(guān),為了研究如何改善和避免這些情況的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者從生物力學(xué)角度對(duì)人工膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)周圍的應(yīng)力分布、假體的運(yùn)動(dòng)軌跡及假體部件的磨損情況等做了許多相關(guān)研究和測(cè)試。

2.1 膝關(guān)節(jié)假體結(jié)構(gòu)位置及運(yùn)動(dòng)變化對(duì)TKA的影響 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式主要有伸直與屈曲、內(nèi)外翻和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)以及在關(guān)節(jié)內(nèi)的滾動(dòng)和滑動(dòng)，然而它并非是簡單的屈伸運(yùn)動(dòng)，而是一系列的復(fù)合三維空間運(yùn)動(dòng)，它由股骨髁向后移動(dòng)及脛骨的軸向內(nèi)旋等運(yùn)動(dòng)方式復(fù)合形成。當(dāng)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性受到膝關(guān)節(jié)功能結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的影響時(shí)，都可能引起關(guān)節(jié)功能異常及膝關(guān)節(jié)所受應(yīng)力的增加[5]。因此在膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)過程中需要盡可能地維持關(guān)節(jié)功能結(jié)構(gòu)和位置的原有狀態(tài)，否則將會(huì)造成因持續(xù)的力學(xué)改變而導(dǎo)致術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。Seo等[6]對(duì)768例接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者進(jìn)行回顧性分析，研究脛骨后傾角(PTS)的變化與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)臨床結(jié)果之間的影響,治療過程中將術(shù)前術(shù)后X射線片上脛骨后傾角度數(shù)的變化分為5組：第1組>3°、第2組3°-1°、第3組<1°～-1°、第4組<-1°～-3°和第5組<-3°。研究結(jié)果顯示術(shù)后VAS評(píng)分、功能評(píng)分、KSS評(píng)分均得到改善，各組間差異不顯著。這說明PTS并不是影響術(shù)后疼痛、ROM的限制、膝關(guān)節(jié)功能的唯一因素，但髕骨評(píng)分和Kujala評(píng)分在第2和第3組(3°-1°)相對(duì)于其他組有顯著改善，因此認(rèn)為PTS與脛骨前脫位呈負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致了髕股關(guān)節(jié)接觸面和應(yīng)力的減少，最終改善費(fèi)勒髕骨評(píng)分和Kujala評(píng)分，所以人工膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的改變會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)置換有一定的影響。在TKA中對(duì)假體安放的位置有很高的要求,這涉及力學(xué)的變化,對(duì)日后并發(fā)癥的發(fā)生率有一定的影響。國內(nèi)有學(xué)者通過對(duì)5具尸體進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換，在手術(shù)過程中對(duì)股骨假體內(nèi)置或外置對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)影響進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)股骨假體的合理放置位置為中立位至外置4 mm之間，否則將導(dǎo)致髕股、脛股接觸面積和峰值接觸壓力發(fā)生較大的改變而不利于股骨假體的穩(wěn)定，而且有可能引起聚乙烯磨損等情況[7]。鄭紅光等[8]運(yùn)用有限元分析法對(duì)膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性進(jìn)行研究，主要針對(duì)TKA后關(guān)節(jié)線高度的變化對(duì)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明關(guān)節(jié)線或高或低都會(huì)影響TKA后膝關(guān)節(jié)的力學(xué)環(huán)境，造成聚乙烯部件應(yīng)力增加和髕骨運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，所以在手術(shù)過程中應(yīng)盡量保持關(guān)節(jié)線的原有水平高度，即使出現(xiàn)偏差，也應(yīng)該控制在4 mm以內(nèi)。假體運(yùn)動(dòng)變化對(duì)TKA術(shù)后有一定影響,其中良好的旋轉(zhuǎn)對(duì)線對(duì)避免術(shù)后假體松動(dòng)發(fā)生起重要作用，目前國內(nèi)外已有許多學(xué)者做過相關(guān)研究， Lützner等[9]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)對(duì)線是影響全膝關(guān)節(jié)術(shù)后臨床療效的一個(gè)因素，通過對(duì)80例患者進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換，術(shù)后利用CT對(duì)股骨和脛骨部件旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明股骨和脛骨部件轉(zhuǎn)動(dòng)之間超過10°的不匹配會(huì)導(dǎo)致全膝關(guān)節(jié)置換后產(chǎn)生與自然膝關(guān)節(jié)不同的運(yùn)動(dòng)。在此研究基礎(chǔ)上還建議用脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)緣到脛骨結(jié)節(jié)中間三分之一的邊界作為建立脛骨組件旋轉(zhuǎn)對(duì)齊的位置，以減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。胡月正等[10]同樣認(rèn)為減少術(shù)后的并發(fā)癥及降低術(shù)后翻修率，選擇正確的假體旋轉(zhuǎn)對(duì)線尤為重要，但他通過軟骨顯影MRI技術(shù)對(duì)膝關(guān)節(jié)研究后認(rèn)為用股骨前軸作為全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中旋轉(zhuǎn)對(duì)線標(biāo)準(zhǔn)更為合適。術(shù)中避免假體部件旋轉(zhuǎn)對(duì)線的不一致是尤為重要的，避免術(shù)后因產(chǎn)生不良運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致植入物松動(dòng)的發(fā)生。無論是膝關(guān)節(jié)假體的結(jié)構(gòu)位置的改變，還是假體的運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，這與術(shù)者在術(shù)中的操作水平有很大的關(guān)系，術(shù)者需要有很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)和豐富的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，但往往這些還是存在一定的主觀因素。近年來隨著計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，在此技術(shù)下有望實(shí)現(xiàn)假體更精確的定位以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從客觀上降低了力學(xué)的變化幅度，避免了因主觀因素導(dǎo)致術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，從而更接近自然的膝關(guān)節(jié)。

2.2 關(guān)節(jié)周圍應(yīng)力分布 膝關(guān)節(jié)置換中脛股關(guān)節(jié)，髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力分布也是影響膝關(guān)節(jié)置換術(shù)臨床療效的一個(gè)因素。近年國外有學(xué)者[11]采用有限元方法對(duì)髕股關(guān)節(jié)置換和全膝關(guān)節(jié)置換在股骨遠(yuǎn)端應(yīng)力分布的差異上進(jìn)行研究，認(rèn)為髕股關(guān)節(jié)置換和全膝關(guān)節(jié)置換都可導(dǎo)致假體周圍應(yīng)力遮擋,另外髕股關(guān)節(jié)置換相對(duì)于全膝關(guān)節(jié)置換應(yīng)力遮擋程度較小且髕骨假體的設(shè)計(jì)也可影響髕股關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布。Steinbrück等[12]對(duì)7具新鮮尸體研究發(fā)現(xiàn)在TKA術(shù)前術(shù)后髕骨壓力分布有顯著變化，在生理膝情況下分布在內(nèi)側(cè)和外側(cè)反作用于髕骨表面的壓力是相似的，在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后尤其是在極度屈曲時(shí)加載在髕骨嵴上的力量是增大的，這可增加髕股關(guān)節(jié)的壓力，從而有可能成為TKA后膝前疼痛的重要原因之一。還有學(xué)者研究認(rèn)為TKA合并髕骨置換不只增加髕股關(guān)節(jié)壓力，而且可降低髕骨關(guān)節(jié)接觸面積，增加髕骨的橫向運(yùn)動(dòng)[13]。國內(nèi)學(xué)者多從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下和假體植入偏差等方面對(duì)人工關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布進(jìn)行研究。張緒樹等[14]采用有限元分析法對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下國產(chǎn)人工膝關(guān)節(jié)接觸壓力分布進(jìn)行研究，結(jié)果顯示深度屈曲和上樓運(yùn)動(dòng)相對(duì)于直立和行走的運(yùn)動(dòng)方式，其各組件接觸壓力都是非常大的，然而在正常情況下股骨部件接觸壓力峰值都是大于脛骨墊組件的，脛骨組件上的應(yīng)力則相對(duì)較小。這對(duì)TKA后指導(dǎo)患者日常生活盡量減少深度屈曲和上樓運(yùn)動(dòng)以保養(yǎng)人工假體，降低假體松動(dòng)率的發(fā)生，延長可能翻修的時(shí)間有一定的幫助。衛(wèi)曉東等[15]在臨床上對(duì)TKA后膝關(guān)節(jié)面間力學(xué)特性與假體植入偏差之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示股骨假體相對(duì)脛骨的內(nèi)翻偏差對(duì)脛骨假體襯墊的最大等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力分布的影響最大,所以在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)過程中，手術(shù)醫(yī)師應(yīng)盡量減小股骨假體與脛骨間的內(nèi)外翻偏差，從而控制假體關(guān)節(jié)面間的應(yīng)力變化及應(yīng)力分布變化。

2.3 假體部件磨損 假體部件磨損情況是判斷是否進(jìn)行人工膝關(guān)節(jié)翻修的一個(gè)重要因素，尤其是聚乙烯襯墊的磨損影響了人工關(guān)節(jié)的壽命。假體部件磨損因素很多不止與活動(dòng)水平、肥胖程度、手術(shù)技術(shù)和制作工藝等方面有關(guān)，在一定程度上也可以說是與生物力學(xué)相關(guān)聯(lián)的，大多由于人工膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)屈伸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致。膝關(guān)節(jié)過伸15°和屈曲120°是膝關(guān)節(jié)假體部件較高應(yīng)力集中的活動(dòng)角度,尤其是股骨相對(duì)脛骨的屈曲達(dá)到120°時(shí)，脛骨平臺(tái)的后方接近后側(cè)緣處達(dá)到了股骨接觸應(yīng)力的最大值，這可引起膝關(guān)節(jié)假體的松脫和過度磨損[16]。膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)對(duì)假體磨損也起到一定影響，嚴(yán)重的還能導(dǎo)致磨損后脛骨的損傷。董黎敏等[17]通過三維重建和有限元分析發(fā)現(xiàn)修改假體模型中股骨骨髁曲面曲率,可以改變其應(yīng)力分布,進(jìn)而通過優(yōu)化設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)假體模型,在一定程度上改善人體膝關(guān)節(jié)假體壽命。另外有研究表明假體植入物的設(shè)計(jì)是脛骨前部磨損后的損傷主要的決定因素[18]。聚乙烯襯墊的磨損還受到股骨假體植入定位的影響，股骨假體位置的變化會(huì)影響聚乙烯襯墊所受的壓應(yīng)力峰值，即使是植入位置的微小變化也有可能出現(xiàn)股骨-聚乙烯襯墊假體間的應(yīng)力分布異常，所以手術(shù)過程中對(duì)股骨假體的精確定位非常有利于聚乙烯襯墊表面壓應(yīng)力峰值的降低，從而減少假體的磨損[19]。在人工關(guān)節(jié)置換過程中，關(guān)節(jié)假體的型號(hào)匹配也非常講究，劉志宏等[20]運(yùn)用有限元分析方法對(duì)不同配對(duì)假體接觸表面的應(yīng)力變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明聚乙烯墊片磨損受到多方面的影響，如假體型號(hào)不完全匹配，假體接觸面最大等效應(yīng)力的增高，其中后者在不同膝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度和不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)也有差異。

3 人工膝關(guān)節(jié)與軟組織力學(xué)關(guān)系

在人工膝關(guān)節(jié)置換中由于軟組織張力的不平衡可能導(dǎo)致下肢立線不良，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，假體磨損增加，產(chǎn)生疼痛，影響膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度等，在膝內(nèi)外翻畸形中顯得尤為突出，軟組織的平衡處理在人工膝關(guān)節(jié)置換中顯得異常重要，人們?cè)谂R床上也越來越重視軟組織平衡技術(shù)。許多學(xué)者通過對(duì)膝關(guān)節(jié)外翻或內(nèi)翻畸形進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換后普遍認(rèn)為解決軟組織平衡需要進(jìn)行有序的解剖松解，邊松解邊檢查膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)并進(jìn)行評(píng)估，直至獲得滿意的膝關(guān)節(jié)伸屈間隙和更好的髕骨軌跡以及下肢力線，然后安裝假體[21-23]。手術(shù)過程中我們需要注意的是在軟組織松解過程中把握好松解的程度，因?yàn)樗山獾某潭葧?huì)直接導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟組織的力學(xué)變化，松解過度會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)松弛，松解不足會(huì)造成膝關(guān)節(jié)僵硬，這有一定的技術(shù)難度。針對(duì)這一技術(shù)難題,國外有學(xué)者[24]開發(fā)了相關(guān)的力學(xué)傳感器,通過在TKA中運(yùn)用力學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織張力，從而使軟組織盡量達(dá)到平衡。

4 人工膝關(guān)節(jié)置換相關(guān)骨重塑

骨重建是指骨骼不斷地進(jìn)行生長和再吸收的一種功能適應(yīng)性過程，主要是使骨總的結(jié)構(gòu)適應(yīng)其載荷環(huán)境的變化。力學(xué)環(huán)境的改變直接決定著受力骨組織數(shù)量和整骨的外形以及力學(xué)性質(zhì)的改變。應(yīng)力遮擋是TKA后導(dǎo)致骨吸收的一個(gè)重要因素，由于TKA后在負(fù)重情況下產(chǎn)生應(yīng)力重新分配所致骨受力減少。目前人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的骨重建主要表現(xiàn)在術(shù)后人工關(guān)節(jié)假體與骨的適應(yīng)性過程中,由于人工關(guān)節(jié)假體與骨的彈性模量是不一樣的,所以這可能在手術(shù)后產(chǎn)生產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng),從而進(jìn)一步導(dǎo)致假體周圍骨質(zhì)在骨重塑過程中的流失。 Munro等[25]采用定量計(jì)算機(jī)斷層掃描評(píng)估(QCT)輔助骨密度測(cè)定法對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和固定平臺(tái)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者術(shù)后脛骨骨密度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)松質(zhì)骨的密度損失在2年內(nèi)高達(dá)12.6%，骨皮質(zhì)密度的損失達(dá)3.6%，全膝關(guān)節(jié)置換后的松質(zhì)骨密度的減小表明應(yīng)力傳遞至骨皮質(zhì)。這是由于骨皮質(zhì)和假體彈性模量更加接近，所以骨皮質(zhì)承受了大部分應(yīng)力的原因?；趹?yīng)力遮擋效應(yīng)，Van-Jonbergen等[26]利用雙能X線骨密度儀在股骨遠(yuǎn)端髕股關(guān)節(jié)置換術(shù)后1年骨密度的測(cè)量研究后發(fā)現(xiàn)，髕骨置換術(shù)后也能夠?qū)е逻h(yuǎn)端股骨骨密度降低 。

5 展 望

生物力學(xué)的研究對(duì)指導(dǎo)臨床的手術(shù)操作，術(shù)后功能康復(fù)以及假體改進(jìn)等各個(gè)方面有著非常重要的作用。隨著醫(yī)學(xué)、力學(xué)、分子生物學(xué)以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的發(fā)展，人工膝關(guān)節(jié)置換中生物力學(xué)特性的有限元分析研究將越來越詳細(xì)，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，假體部件磨損仍然是有限元分析研究的重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)已在膝關(guān)節(jié)置換操作中實(shí)現(xiàn)截骨和定位等，減少因結(jié)構(gòu)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡變化帶來的并發(fā)癥，是未來骨科發(fā)展的方向，但是對(duì)于內(nèi)外翻畸形嚴(yán)重及攣縮的膝關(guān)節(jié)置換，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)仍有難以實(shí)現(xiàn)定量截骨和精確定位的問題，因此要求從生物力學(xué)角度對(duì)半月板、韌帶穩(wěn)定性條件等的研究更加細(xì)致，以便指導(dǎo)計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。隨著軟組織力學(xué)對(duì)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中術(shù)后的影響研究越來越多，軟組織平衡相關(guān)儀器的開發(fā)雖剛剛開始，還存在許多問題，但日后一定會(huì)有很好的發(fā)展，在骨重塑中因?yàn)閼?yīng)力遮擋導(dǎo)致骨流失將是未來假體生物材料的開發(fā)與設(shè)計(jì)值得研究的一個(gè)方面，有很大的研究空間。

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