膝活動平臺內側單髁置換術后生物力學的研究進展△

任鵬鵬，張啟棟

（1.蘇州市中西醫(yī)結合醫(yī)院骨傷一科，江蘇 蘇州 215000；2.中日友好醫(yī)院骨科，北京 100029）

膝關節(jié)單髁置換術（unicompartmental knee ar?throplasty,UKA）是治療晚期單間室膝骨關節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）的有效手段，通過對病變間室進行表面置換，可以有效緩解疼痛、改善功能，具有創(chuàng)傷小、康復快等優(yōu)點，大量的中長期隨訪結果顯示療效滿意［1～4］。隨著假體設計的改進、微創(chuàng)手術器械的開發(fā)、手術技術的提高及患者選擇更加合理，臨床效果更好，在國內外得到迅速發(fā)展［5］。正常膝關節(jié)解剖學屬于多半徑關節(jié)，UKA假體設計為單半徑假體，在一定程度上改變了膝關節(jié)的生物力學［6］。本文將從尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析及其他研究方法等方面綜述膝關節(jié)牛津活動平臺內側單髁置換術后生物力學的研究現狀。

1 尸體研究

尸體研究是一種應用廣泛的體外研究方法，可有效模擬活體膝關節(jié)運動，也可進行人體體內研究所禁止的有創(chuàng)操作。在尸體研究中，可以進行膝關節(jié)淺層內側副韌帶張力、股四頭肌張力及外側間室接觸應力的測量，這是人體體內研究時所禁止的有創(chuàng)操作［7，8］。尸體研究一般應用新鮮冷凍膝關節(jié)標本，去除膝關節(jié)皮膚及皮下組織，保留膝關節(jié)周圍肌肉群、膝關節(jié)囊及關節(jié)囊內組織等。尸體研究的實驗裝置主要有三部分組成：（1）運動模擬系統(tǒng)主要通過控制運動模擬試驗機驅動膝關節(jié)標本模擬活體膝關節(jié)運動；（2）載荷系統(tǒng)主要模擬膝關節(jié)負荷；（3）接觸測量系統(tǒng)主要采集并傳輸膝關節(jié)運動軌跡及膝關節(jié)間室接觸應力等數據［9］。離體膝關節(jié)標本組織的性質與活體非常相似，包括固有的解剖變異和局部的機械變異，在一段合理的測試時間內，關節(jié)軟骨、韌帶和半月板在離體膝關節(jié)標本上的表現都與活體相似。Peersman等［7］研究離體膝關節(jié)標本UKA術后在運動模擬試驗機上進行被動活動、開放鉸鏈活動及深蹲活動的生物力學變化，分別收集并分析三種活動狀態(tài)下膝關節(jié)內外翻，脛骨內外旋、股骨位移及深蹲活動時外側間室接觸應力等數據。該研究表明UKA術后大多數膝關節(jié)運動學與正常接近，特別是在被動活動時；但是在開放鉸鏈活動時，UKA術后內側間室股骨上下位移、外側間室股骨前后位移及脛骨內外翻差異有統(tǒng)計學意義；在深蹲活動時，UKA術后外側間室接觸應力比正常較高，但是無論膝關節(jié)屈曲角度如何，差異均無統(tǒng)計學意義。與 Peersman等［7］研究相似，Heyse等［10］也發(fā)現在被動活動、開放鉸鏈活動時，UKA術后的股骨“回滾”模式與正常膝關節(jié)非常接近；深蹲活動時，UKA術后脛骨內旋輕度減小。這些研究結果說明膝關節(jié)UKA術后生物力學與正常高度相似，是UKA術后臨床功能評分高、臨床效果滿意度高的佐證。與上述傳統(tǒng)尸體研究相比，導航系統(tǒng)的應用使尸體研究更容易、更便捷［11］。尸體研究有很多優(yōu)點，在生物力學研究中被廣泛應用，但是也有缺點［7，8，10～12］：（1）尸體標本量少、花費高、獲取困難，能應用于尸體研究的更少，一個尸體標本被多次使用；而且尸體標本質量受年齡、健康狀態(tài)、存儲時間、標本準備方法的影響，質量參差不齊，不同研究結果之間可比性較差；（2）運動模擬試驗機能模擬少數簡單運動，但是不能模擬日常生活中復雜運動，比如跳躍、上樓梯、步態(tài)等，復雜運動結果可能與簡單運動結果不同；（3）經過處理的離體膝關節(jié)標本部分組織是缺損的，離體膝關節(jié)標本的內側副韌帶不能發(fā)揮作為感受器的作用，離體膝關節(jié)標本無內側單間室病變，這與活體是不同的；（4）UKA術后只能測量外側間室的接觸應力，不能了解內外側間室接觸應力分布的變化。

2 有限元分析

有限元分析（finite element analysis,FEA）常被用來解決骨科研究中許多復雜問題，主要包括影像數據獲取、有限元模型建立及網絡劃分、材料屬性賦值、邊界條件設置、模擬膝關節(jié)負荷、生物力學變化分析及有限元模型驗證等過程［13］。傳統(tǒng)研究方法是通過使用復合人工骨材料或尸體標本進行生物力學實驗，這需要特殊的復雜實驗裝置，實驗條件比較苛刻，費用較高且較為耗時，難以對不同患者及各種復雜情況下手術效果進行評估［14］。與傳統(tǒng)的體外或體內研究相比，FEA不需要昂貴的復雜實驗裝置，可自主設置各種復雜的邊界條件，模擬膝關節(jié)負荷并進行生物力學分析，對膝關節(jié)內部各種結構的應力、應變進行準確計算，操作性及可重復性強［15］。Innocenti等［16］對同一個離體膝關節(jié)標本進行尸體研究和FEA，尸體研究發(fā)現給予離體膝關節(jié)標本2 000 N負荷后，測量內外側間室載荷，外側間室載荷占總負荷39.5%，與既往尸體研究文獻結果相似；同時，FEA測量內外側間室載荷分布，發(fā)現外側間室載荷占總負荷40%，與該實驗尸體研究結果相似，證明了FEA的可信性。Kang等［17］應用FEA探討UKA術后不同關節(jié)線位置（±6,±4,±2,0 mm）對膝關節(jié)生物力學的影響，與0 mm關節(jié)線位置比較，關節(jié)線位置增高時活動墊片上、下接觸面的最大接觸應力均增加；相反，關節(jié)線位置減低時活動墊片上、下接觸面的最大接觸應力均較少。該研究說明關節(jié)線位置的恢復是提高假體生存率、獲得滿意臨床效果的關鍵因素，因此建議UKA時要保持良好的關節(jié)線位置。朱廣鐸等［18］對正常膝關節(jié)及中立位UKA行FEA，對正常膝關節(jié)模型及UKA模型統(tǒng)一邊界條件后施加相同載荷，結果顯示UKA模型外側間室股骨軟骨、外側半月板及脛骨軟骨最大接觸應力分別為2.71、2.93、2.84 MPa，而正常膝關節(jié)模型外側間室股骨軟骨、外側半月板及脛骨軟骨最大接觸應力分別為2.60、2.68、2.63 MPa。該實驗說明UKA術后中立位外側間室接觸應力較正常膝關節(jié)輕度增加。但是，UKA在輕度內翻位時，膝關節(jié)外側間室接觸應力較正常膝關節(jié)無明顯變化，說明UKA術后輕度內翻位是被推薦的。FEA可以評估不同因素對UKA術后生物力學的影響，以優(yōu)化假體設計、預防并發(fā)癥、提高假體生存率及手術效果滿意度等，但尚存在局限性［13，14，17～19］:（1） FEA 以一名志愿者影像數據為基礎，所構建有限元模型只反映個人膝關節(jié)特性，個體體型、體重、身高、年齡、性別、種族等因素會影響研究結果；（2）若需要增加有限元模型，大量影像數據的獲取是困難的，這需要花費大量的時間、金錢，而且對大量志愿者進行CT檢查是違背倫理的；（3）FEA只進行單一負荷下的靜力學分析，缺乏復雜負荷條件下的動力學分析，需要進一步完善UKA有限元模型在各種屈曲角度、內外翻及內外旋情況下的生物力學分析；（4）FEA過程中需要計算大量的數據，會出現計算困難、圖像失真、運算時間長、大量偽影和誤差等情況。

3 步態(tài)分析

步態(tài)分析是一個體內研究，目前應用最廣泛的方法是基于紅外追蹤技術的三維步態(tài)分析系統(tǒng)，通常由追蹤反光標記三維運動軌跡的動作捕捉系統(tǒng)、采集地面反作用力的測力臺和皮膚表面肌電圖采集裝置等三大部分組成［20］。三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集的數據主要包括身體各個部分的相對位置與方向、足與地面的作用力、時間-空間關系和下肢肌肉的階段性活動，這些數據由計算機軟件整合分析。步態(tài)分析不僅能獲取患肢膝關節(jié)的生物力學參數，還能同時獲取健肢膝關節(jié)生物力學參數，能對患肢術前、術后不同隨訪時間及健肢膝關節(jié)生物力學參數進行對比分析。與體外研究相比，步態(tài)分析能真實反映生理狀態(tài)，進行多種運動的動力學分析，比如平地行走、上坡、下坡等［21］。步態(tài)分析作為一種客觀性、量化性的評估方法，可以作為臨床功能評分評估的補充，為臨床決策提供更多信息。Catani等［20］及 Wiik 等［22］通過步態(tài)分析結合臨床功能評分發(fā)現活動平臺UKA術后膝關節(jié)與正常膝關節(jié)高度相似，較固定平臺UKA及全膝關節(jié)置換術后膝關節(jié)功能恢復更好，效果滿意度更高。Seeger等［23］將步態(tài)分析與臨床功能評分結合對UKA術前及術后進行評估，膝關節(jié)活動度由術前的117.3°提高到 123.0°（P=0.0483），步長由術前 76.5 cm增加到81.9 cm（P=0.028）；而且所有臨床功能評分，美國膝關節(jié)學會評分（American Knee Society Score,AKSS）、牛津 12 項評分 （Oxford-12 Score）、Devane評分（Devane Score）和漢諾威骨關節(jié)炎功能能力問卷 ［Hannover functional ability questionnaire for osteoarthritis(FFbH-OA)score，FFBH-OA］ 均有顯著變化（P<0.01）。該研究說明UKA術后患肢功能明顯改善，更接近正常膝關節(jié)。步態(tài)分析可以對UKA患者下肢運動功能進行動態(tài)量化評估，能夠更加精準地獲知患者術后的康復情況，進而達到指導手術與探索康復新方法的目的，但是亦具有自身的局限性［23～26］:（1）步態(tài)分析最大的缺點是反光標記粘貼于皮膚表面，在運動過程中軟組織的滑動會對后續(xù)數據分析帶來較大誤差，無法實現精細測量，只能獲取近似的運動學數據；（2）步態(tài)分析的結果與硬件設備、軟件分析流程和測試者本身之間有一定關聯(lián)，還受到步行速度、年齡、性別、身高、種族等混雜因素的影響，很難形成統(tǒng)一標準并進行比較；（3）由于安全原因，UKA術后患者在進行步態(tài)分析過程中需要扶持欄桿或扶手，避免跌倒摔傷，這與正常無扶持運動測試者的結果無法進行比較分析；（4）不可控因素影響較大，測試者本身在檢測過程中主觀意識對研究結果也有一定影響。

4 其他研究方法

除了尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析等常用研究方法外，還有一些研究的應用越來越廣泛。Kono等［27］采用雙熒光成像系統(tǒng)研究活體活動平臺UKA術后膝關節(jié)的深蹲運動，可對膝關節(jié)運動學及運動模式進行精確分析。與傳統(tǒng)X射線立體成像分析相比，雙熒光成像系統(tǒng)不需預先置入不透射線的體內標記便可獲取高度精確的人體運動學軌跡，但是該研究需要承受的輻射暴露量較大。除了X線進行膝關節(jié)體內研究外，部分研究者應用磁共振成像技術研究膝關節(jié)生物力學，但是目前缺乏對UKA術后生物力學的研究［28，29］。與X線相比，磁共振成像具有無輻射的特點，在未來UKA生物力學研究中會越來越受青睞。Bucek等［30］應用術中導航系統(tǒng)研究患者UKA術前及術后的運動學變化，同時應用膝關節(jié)鏡研究志愿者正常膝關節(jié)的運動學變化。術中導航系統(tǒng)及膝關節(jié)鏡都可以動態(tài)研究膝關節(jié)的運動學變化，但是膝關節(jié)鏡檢查可能會影響膝關節(jié)功能。

綜上所述，在UKA術后生物力學研究中，上述研究結果說明牛津活動平臺內側UKA術后膝關節(jié)與正常膝關節(jié)高度相似。在生物力學研究中，尸體研究、有限元分析、步態(tài)分析、X射線立體成像、雙熒光成像系統(tǒng)、磁共振成像技術、術中導航系統(tǒng)、膝關節(jié)鏡等方法各具優(yōu)缺點，但是整體上可信度高。因此，需要改進現有研究方法，探索新的可信度更高的方法來研究牛津活動平臺內側UKA術后生物力學變化，獲得更真實的結果，進而達到指導手術與探索康復新方法的目的，提高假體生存率、臨床效果滿意度。