單髁置換術后脛骨平臺近端愈合前后的生物力學研究

王獻抗，黃紹祥，周 雷，楊 友

(1.天津市骨植入物界面功能化與個性化研究企業重點實驗室，天津 300190；2.嘉思特華劍醫療器材(天津)有限公司，天津 300190)

目前，隨著社會老齡化進程，骨性關節炎已成為老年人最主要的致殘原因之一，患者疼痛難忍且無法正常行走，嚴重影響患者的生活品質。對于晚期重度膝關節炎，多數患者會選擇單髁置換術(UKA)甚至全膝關節置換術(TKA)。SATKU[1]調查發現，在人工全膝關節置換患者中，5%～20%為膝關節單間室病變。對于單間室病變的患者，與TKA相比，UKA提供了更為有效的微創手術方案，單髁置換保留了交叉韌帶等膝關節解剖結構，從而保留了膝關節力學機制。UKA手術創傷小、費用低、恢復快，臨床效果顯著，引起了極大的關注，但其術后早期脛骨假體周圍骨折與疼痛仍無法避免，并最終導致翻修為TKA.

據臨床經驗及相關文獻表明，脛骨假體周圍骨折約占UKA翻修原因的1%，通常發生在單髁置換術后1周內，而在那些剛剛開展單髁關節置換術的外科醫師手中，或者在那些先天性脛骨較小的亞洲人群中，脛骨假體周圍骨折更易發生。另外，單髁置換術后，患者經常抱怨脛骨平臺前內側疼，在術后早期這種現象比較常見，大多數患者在一年后疼痛減輕。然而，一些患者在術后一年仍然存在不明原因的疼痛[2]，且隨著時間推移，疼痛會更加嚴重，甚至導致脛骨假體周圍骨折，患者疼痛難忍時，就會考慮假體翻修，在臨床上造成這種疼痛的原因及機制尚不清楚。這些并發癥或許可歸結于脛骨平臺近端反常過高的骨應變，但皮質骨過高的應變分布最終可能削弱骨重建進而導致骨退化。手術中脛骨過度截骨是造成此類并發癥的常見原因之一，過多截骨會在脛骨平臺切割面出現骨缺損，造成切割面應力集中，脛骨平臺承載能力降低，當膝關節受力過大時易造成脛骨平臺假體周圍骨折。然而，通過試驗方法直接在體內測量脛骨近端應變分布并不可行，因此，本文從生物力學角度研究脛骨平臺近端愈合前后的應力與應變分布規律，為深入探討臨床上脛骨平臺近端術后骨折及疼痛機理等并發癥的力學機制提供理論參考，且文中脛骨平臺的不同切割方案造成的生物力學規律可為臨床手術提供參考。

1 有限元模型及邊界條件

根據單髁手術技術，規劃了3種不同脛骨切割面模型，如圖1所示。圖1(a)銳角切割模型為標準正常手術技術切割形狀；圖1(b)過切割模型為手術中過度切骨的示意形狀，根據CLARIUS et al[3]的統計，矢狀面切骨超過4 mm的發生率達到18%，超過8 mm的發生率達到3%；圖1(c)圓角切割模型為優化的脛骨切割面形狀，即在水平截骨與豎直截骨的相交位置加釘孔，以此來避免銳角切割面造成的應力集中，進而造成較大的骨應變。對于圓角切割模型，臨床上已有部分應用，但假體植入后愈合前后的生物力學機制仍不明確。

圖1 脛骨平臺切割面模型Fig.1 Model of cut surface of tibial plateau

1.1 有限元模型

對健康男性脛骨斷層CT掃描，掃描層厚為1.5 mm，掃描層數330層，應用Mimics軟件，通過閾值分析、空洞修補建立包含皮質骨與松質骨的脛骨近端模型。然后，將脛骨模型與假體三維模型導入三維軟件進行裝配，建立上述3個不同脛骨平臺切割面的有限元模型，根據文獻膝關節步態屈曲35 °時達到峰值載荷，在該屈曲角度下的三維模型如圖2(a)，最后導入有限元軟件并建立有限元模型如圖2(b)所示。在單髁置換術后的即刻穩定期(愈合前)，通過設置上述模型的脛骨切割面與骨水泥界面為摩擦接觸來模擬。在長期穩定期(愈合后)，通過設置上述模型的脛骨切割面與骨水泥界面為綁定接觸來模擬。根據上述方法分別得到單髁置換術后假體愈合前后的仿真模型，獲得愈合前(即刻穩定)與愈合后(長期穩定)脛骨近端在軸向加載條件下的應力應變分布規律。其中，脛骨平臺底面與脛骨界面設置1 mm厚的骨水泥層，平臺龍骨與松質骨槽界面設置0.5 mm骨水泥層，通過抽中面功能設置骨水泥為面單元網格類型，摩擦接觸算法為增廣拉格朗日算法，收斂精度取為0.1%.

圖2 單髁置換有限元模型Fig.2 UKA finite element model

1.2 邊界條件及材質

采用的邊界條件：約束脛骨遠端位移。模擬體重為70 kg的人在步態周期中脛骨平臺軸向負載，外側承重40%(870 N)，內側承重60%(1 160 N)[4-5]，對內側髁假體施加1 160 N軸向載荷，外側平臺施加870 N軸向載荷。有限元模型中各材質的材料參數如下表1所示[6-7]。

表1 材料參數Table 1 Mechanical properties of materials

2 計算結果與分析

為定量研究脛骨平臺近端應力應變規律，對脛骨平臺周圍劃分5個區域，如圖3所示。區域A位于脛骨干骺端前內側皮質，區域B位于水平截骨面與豎直截骨面的拐角，區域C位于脛骨平臺龍骨槽下方的松質骨處，區域D與E分別位于龍骨槽的內外側松質骨處。

圖3 脛骨平臺5個區域位置示意Fig.3 Position of the 5 areas of tibial plateau

2.1 脛骨近端皮質骨應力分布

單髁置換術后內側脛骨平臺骨折是一種極其嚴重的并發癥，這種并發癥也許與手術技術有關。脛骨平臺近端骨折線始于脛骨平臺切割面拐角，止于內側干骺端皮質。

圖4-圖6為3種模型的脛骨皮質骨等效應力與最大主應力分布云圖，由圖可知，最大應力主要集中于脛骨切割面的前后端皮質以及脛骨干骺端皮質。

圖4 脛骨皮質骨等效應力Fig.4 Von Mises stress of tibial cortical bone

圖5 脛骨皮質骨最大主應力Fig.5 Maximum principal stress of tibial cortical bone

圖6 脛骨皮質骨切割面處應力分布Fig.6 Stress distribution at cut surface of tibia cortex

數值仿真分析表明：對于銳角模型，最大等效應力與最大主應力均發生在脛骨切割面的前端，最大應力分別為23.57 MPa和20.48 MPa.

當脛骨豎直切割面過切時，最大等效應力與最大主應力轉向脛骨切割面的后側，且應力數值分別增加了2.1倍和2.5倍。另外，對于過切模型，脛骨切割面后側的皮質骨應力遠大于前端皮質骨的應力，當最大主應力超過脛骨的強度極限時，則很容易引發脛骨平臺近端骨折，且骨折方向沿著脛骨平臺切割面拐角后方向切割面拐角前方以及脛骨干骺端延伸。

對于第3種圓角模型，在脛骨平臺切割面拐角處倒圓后，最大等效應力相對過切模型降低了62%，相對于銳角模型降低了19%.而最大主應力相對過切模型降低了73.8%，相對于銳角模型降低了35%.因此，當在切割面拐角處倒圓后，將很大程度上降低脛骨平臺近端骨折的風險。

2.2 脛骨近端應變分布

由于單間室膝關節置換術后保留了更多的解剖結構，所以，單髁置換相對全膝置換能提供更好的運動學功能。然而，單髁植入后的早期，一些患者在日常活動中受到了脛骨近端前內側疼痛的困擾，這種莫名的疼痛總是在術后一年慢慢消失。例外的是，在一小部分患者中，一年后疼痛仍持續并可能惡化。在臨床上這種疼痛的原因及機制尚不清楚。

脛骨切割面愈合前，松質骨最小主應變分布云圖如圖7所示；愈合后，松質骨的最小主應變分布云圖如圖8所示。由應變云圖可知，在脛骨近端愈合前，完整模型的最小主微應變為3 557.而單髁置換后初期，脛骨切割面拐角、龍骨槽處以及脛骨近端前側的微應變遠高于4 000，其中銳角模型的最大微應變數值為8 032，過切模型的最大微應變數值為9 622，圓角模型的最大微應變數值為7 378，且最大微應變值均發生在脛骨近端前內側，這與臨床上，患者單髁置換后發生疼痛的部位相一致。

圖7 脛骨松質骨切割面處愈合前最小主微應變Fig.7 Minimum principal strain before healing at the cut surface of tibia cancellous bone

圖8 脛骨松質骨切割面處愈合后最小主微應變Fig.8 Minimum principal strain after healing at the cut surface of tibia cancellous bone

隨著切割面處骨骼重塑愈合，在完整模型、圓角模型以及銳角模型除去微應變集中點的異常值，微應變值均低于3 746.圓角模型的微應變基本下降至較低水平，最大微應變數值為3 746.然而，過切模型以及銳角模型的局部區域在愈合后，微應變數值仍高于4 000.

以上這種應變分布規律變化，解釋了為什么大多數患者在術后第一年內，疼痛自然消退。而當一些更極端的假體占據了相當大的比例且微應變高于4 000的閾值時，患者會出現脛骨退行性改變。 這可能是在臨床中，假體植入后一年，患者的膝關節疼痛仍未減輕甚至出現惡化，進一步引起骨折，最終選擇翻修的原因。

圖9-圖13分別為：圖3中脛骨平臺5個區域位置在愈合前后的最小主微應變、最大主微應變以及等效微應變分布規律。可知，最大微應變主要集中于松質骨，皮質骨近端存在較小的微應變，數值大概為620.

圖9 近端內側脛骨干皮質處主微應變和等效微應變Fig.9 Principal and equivalent strains at proximal medial tibial shaft cortex

由圖10、圖11可知，在愈合前，切割面拐角B處，過切模型的最小主微應變較銳角模型增加了65%，最大等效微應變較銳角模型增加了67%；而圓角模型的最小主微應變較銳角模型降低了23.6%，最大等效微應變較銳角模型降低了25%.切割面龍骨槽C處，過切模型的最小主微應變較銳角模型增加了22%，最大等效微應變較銳角模型增加了18.8%；而圓角模型的最小主微應變較銳角模型降低了19.5%，最大等效微應變較銳角模型降低了18.7%.在愈合后，圓角模型的微應變值均低于其余兩個模型的微應變值。由圖12與圖13可知，在龍骨槽兩側與上述具有類似的微應變分布規律，而微應變值相對稍小。

圖10 脛骨平臺切割面拐角處主微應變和等效微應變Fig.10 Principal and equivalent strains at the corners of the cut surface of tibial plateau

圖11 脛骨平臺龍骨槽處主微應變和等效微應變Fig.11 Principal and equivalent strains at the keel groove of tibial plateau

圖12 脛骨平臺龍骨槽內側主微應變和等效微應變Fig.12 Principal and equivalent strains of the medial keel groove of tibial plateau

圖13 脛骨平臺龍骨槽外側主微應變和等效微應變Fig.13 Principal and equivalent strains outside the keel groove of tibial plateau

3 討論

骨重塑是一個復雜的過程[8]，雖然機械應變可以局部改變骨骼結構[9]，但脛骨平臺過切也是造成微裂紋損傷的一種催化劑[10]。當脛骨豎直切割面過切時，脛骨切割面后側的皮質骨應力遠大于前端皮質骨的應力，當最大主應力超過脛骨的強度極限時，則很容易引發脛骨平臺近端骨折，且骨折方向沿著脛骨平臺切割面拐角后方向切割面拐角前方以及脛骨干骺端延伸[11-15]。對于圓角模型，在脛骨平臺切割面拐角處倒圓后，最大等效應力相對過切模型降低了62%，相對于銳角模型降低了19%.而最大主應力相對過切模型降低了73.8%，相對于銳角模型降低了35%.因此，當在切割面拐角處倒圓后，將很大程度上降低脛骨平臺近端骨折的風險。骨骼的微裂紋損傷演化是一種老化過程的自然現象，術后脛骨平臺微應變的增加也許會增加微裂紋的分布區域。另外，當微裂紋處較高的微應變超過骨重建所需的微應變閾值，骨重建過程將退化，且微裂紋會進一步延伸，加劇了脛骨平臺局部的損傷。這可能是疼痛在一些患者中持續存在，并且出現進一步惡化的原因。

這項研究表明，在術后早期，假體與脛骨平臺間處于即刻穩定期(愈合前)，此時，脛骨平臺假體周圍存在較大的微應變，尤其在脛骨前內側存在微應變集中，這些應變也許與植入假體后患者抱怨膝關節前內側疼痛有關。另外，根據脛骨近端微應變分布規律，當假體與脛骨平臺間處于長期穩定(愈合后)，微應變值大部分已降低至正常水平，這是由于隨著時間的推移，骨重建過程削弱了這些較高微應變，因此，臨床上這種疼痛總是在假體置換一段時期后才慢慢消失。因此，臨床上，在術后一年，不能因為初期不明原因的疼痛而選擇去翻修，除非已明確表現出具體的原因。此外，本研究也表明了脛骨近端微應變過大的增加是由于不當的手術操作，而不是因為假體置換術。因此，在臨床實踐中應謹慎并避免這種影響因素。

4 結論

本文通過有限元仿真對單間室膝關節置換術后，脛骨平臺近端在即刻穩定期(愈合前)與長期穩定期(愈合后)的應力應變規律進行了生物力學研究。對于正常手術進行的銳角切割脛骨平臺模型，脛骨平臺過切將明顯增加脛骨近端后側的等效應力與最大主應力以及主應變。脛骨平臺切割面拐角處倒圓后，在愈合前后，脛骨平臺近端的應力與應變均明顯降低。研究結果可為單髁置換的臨床中脛骨優化的圓角切割面提供生物力學依據，且文中提到的圓角切割模型可避免術中失誤過切導致脛骨后側皮質損傷，進而引發術后脛骨平臺近端骨折的并發癥風險。同時，也為臨床中單髁術后脛骨平臺近端骨折及術后疼痛并發癥的機理探討提供了一定的理論依據。