单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响

doi:10.12307/2024.086

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (21): 3281-3285.doi: 10.12307/2024.086

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单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响

张凯1，赵鸣昕2，杨雨竹2，郭媛2，纪斌平1

1山西华晋骨科医院，山西省太原市 030400；2太原理工大学，生物医学工程学院，山西省晋中市 030600

收稿日期:2023-04-04 接受日期:2023-06-08 出版日期:2024-07-28 发布日期:2023-09-27
通讯作者: 纪斌平，博士，主任医师，山西华晋骨科医院，山西省太原市 030400
作者简介:张凯，男，1984年生，山西省运城市人，副主任医师，主要从事临床骨关节外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(11772214)，项目参与人：郭媛

Effect of tibial prosthesis riser length on knee biomechanics after unicompartmental knee arthroplasty

Zhang Kai1, Zhao Mingxin2, Yang Yuzhu2, Guo Yuan2, Ji Binping1

1Shanxi Huajin Orthopaedic Hospital, Taiyuan 030400, Shanxi Province, China; 2College of Biomedical Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, Shanxi Province, China

Received:2023-04-04 Accepted:2023-06-08 Online:2024-07-28 Published:2023-09-27
Contact: Ji Binping, MD, Chief physician, Shanxi Huajin Orthopaedic Hospital, Taiyuan 030400, Shanxi Province, China
About author:Zhang Kai, Associate chief physician, Shanxi Huajin Orthopaedic Hospital, Taiyuan 030400, Shanxi Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (General Program), No. 11772214 (to GY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

单髁关节置换：是治疗膝关节单间室骨关节炎的一种方法，有手术切口小、截骨量少、前后交叉韧带完整、手术时间较短、术中术后出血量少、术后功能恢复快的特点。
有限元法：一种将连续体离散化以求解各种力学问题的数值方法。

背景：膝关节单髁置换手术能有效治疗膝关节单侧严重骨关节炎，临床上发现单髁置换后容易发生胫骨后侧骨皮质断裂，断裂始于胫骨截骨的龙骨槽处，胫骨假体立柱长度影响单髁置换后膝关节的生物力学结果。

目的：探讨单髁置换中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响，找出假体立柱长度与患者胫骨前后径的关系。
方法：选取37岁无膝关节疾病史健康女性志愿者的计算机断层扫描图像数据和常用单髁假体，建立自然膝关节模型并建立单髁假体模型。建立8种不同长度的胫骨假体立柱，最小长度为31 mm，最大长度为34.5 mm，以0.5 mm递进，与医院常使用假体立柱长度33.2 mm进行对比。股骨组件和胫骨组件的材料是钴铬钼合金，胫骨衬垫材料是超高分子量聚乙烯。使用有限元分析软件在股骨上方加载1 000 N观察膝关节的生物力学变化。

结果与结论：①胫骨假体立柱长度为33 mm时胫骨应力最小，前交叉韧带应力最小，外侧半月板应力最小，股骨假体应力最小；余下各部件应力都较小；②受试者本身胫骨内侧平台前后径长度为53 mm，通过计算比例，胫骨假体立柱长度占胫骨前后径最佳比应为62%左右，如果低于此值可能会发生假体无菌性松动，如果高于此值，则胫骨前后端的骨皮质有发生断裂的可能性。

https://orcid.org/0000-0001-1469-7019 (张凯)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 单髁置换, 膝骨关节炎, 胫骨假体, 立柱长度, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Unicompartmental knee arthroplasty can effectively treat severe unilateral knee osteoarthritis. It has been found that posterior tibial cortical fracture is prone to occur after unicompartmental knee arthroplasty. The fracture begins at the keel groove of tibial osteotomy. The tibial prosthesis riser length affects the biomechanical results of the knee joint after unicompartmental knee arthroplasty.
OBJECTIVE: To investigate the effect of tibial prosthesis riser length on knee biomechanics in unicompartmental knee arthroplasty, and to find out the relationship between prosthesis riser length and anterior and posterior tibial diameters of patients.
METHODS: Computed tomography image data and commonly used unicompartmental prostheses were selected from a 37-year-old healthy female with no history of knee disease. A natural knee joint model was established and a unicompartmental prosthesis model was built. Eight different lengths of tibial prosthesis risers were established, with a minimum length of 31 mm and a maximum length of 34.5 mm in 0.5 mm increments, for comparison with the commonly used hospital prosthesis riser length of 33.2 mm. The material of the femoral component and tibial disc was cobalt-chromium-molybdenum alloy, and the tibial spacer was ultra-high molecular weight polyethylene. The biomechanical changes of the knee joint were observed using finite element analysis software loaded with 1 000 N over the femur.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The tibial stress was minimal at a tibial prosthesis riser length of 33 mm; the anterior cruciate ligament stress was minimal; the lateral meniscus stress was minimal, and the femoral prosthesis stress was minimal. The remaining components were less stressful. (2) The subject’s medial tibial plateau anterior-posterior diameter length was 53 mm, and by calculating the ratio, the optimal ratio of tibial prosthesis riser length to anterior-posterior tibial diameter should be about 62%. If it is lower than this value, aseptic loosening of the prosthesis may occur, and if it is higher than this value, fracture of the bone cortex at the anterior-posterior end of the tibia may occur.

Key words: unicompartmental knee arthroplasty, knee osteoarthritis, tibial prosthesis, riser length, finite element analysis

中图分类号:

张凯, 赵鸣昕, 杨雨竹, 郭媛, 纪斌平. 单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(21): 3281-3285.

Zhang Kai, Zhao Mingxin, Yang Yuzhu, Guo Yuan, Ji Binping. Effect of tibial prosthesis riser length on knee biomechanics after unicompartmental knee arthroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(21): 3281-3285.

图/表（结果） 7

2.1 感兴趣区域应力 UKA术后，胫骨假体立柱对应的前后方向上可能发生胫骨断裂。通过观察胫骨的三视图，选取侧视图。在胫骨前后骨皮质上选取6个感兴趣区域观察其应力值变化，1，2，3点对应胫骨前端区域，4，5，6点对应胫骨后端区域；1，4点对应胫骨假体立柱凹槽的上层，2，5点对应胫骨假体立柱凹槽的中层，3，6对应胫骨假体立柱凹槽的底层，如图4所示。

如图5所示，从上层点的应力结果看，8种工况下前端点1应力都高于后端点4，当立柱长度为31.0-33.5 mm时，总体上1点与4点是两种相反的趋势。当胫骨假体立柱长度> 33.5 mm时，两点的应力都开始减小；上层立柱长度33.5 mm时应力最大为0.462 MPa，33 mm时应力最小为0.382 MPa；立柱长度在31-33 mm之间随着立柱长度增加，上层后端点应力总体呈现下降趋势。

如图6所示，从中层点的应力结果来看，前端2点的应力值总体大于后端5点的应力值。立柱长度在31.0-32.0 mm之间时逐渐减小，中层前端点在立柱长度为31 mm应力最大为0.397 MPa，32 mm和33 mm最小为0.384 MPa；中层后端点的应力在立柱长度34 mm达到最大为0.136 MPa，31.5 mm最小为0.097 MPa。

如图7所示，从底层点的应力结果来看，前端3点的应力值总体大于后端6点的应力值。立柱长度在31-34 mm之间时前端2点的应力值几乎无差异，在34.5 mm时减小；底层前端点在立柱长度为31 mm应力最大为0.5 MPa，34 mm最小为0.459 MPa；底层后端点的应力在立柱长度32.5 mm达到最大为0.238 MPa，34.5 mm最小为0.11 MPa。

如表2所示，33 mm时胫骨应力最小，前交叉韧带应力最小，外侧半月板应力最小，8种工况下外侧半月板应力基本一致；31.5 mm胫骨假体应力最小；32.5 mm、33 mm时股骨假体应力最小，8种工况下股骨假体应力基本一致；31.5 mm、32 mm外侧软骨应力最小。8种工况下外侧软骨应力基本一致。差别比较明显的是胫骨、前交叉韧带、胫骨假体上的应力。

2.2 胫骨前后侧应力股骨应力峰值范围在5.444-6.494 MPa之间，胫骨假体立柱长度为32.5 mm时，胫骨应力最大，为6.494 MPa；33 mm时胫骨应力最小，为5.444 MPa；8种工况下应力峰值均在胫骨远端约束处；31.0，31.5，32.0 mm时胫骨内侧平台截骨处应力较为集中。胫骨应力全部集中在内侧。见图8。

综合所有结果来看，前端应力大于后端应力。立柱长度为33 mm时各部位应力值都较小，此时胫骨上的应力最小，上层、中层前端点应力最小。受试者本身胫骨内侧平台前后径长度为53 mm，通过计算比例，胫骨假体立柱占胫骨前后径最佳比例应为(33/53)×100%≈62%，在此基础上设计胫骨假体立柱。根据该计算比例，如果低于此值可能会发生假体无菌性松动，如果高于此值，则胫骨前后端骨皮质可能发生断裂等情况。

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引言

材料方法

1.1 设计基于CT扫描数据的有限元建模及有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2020年3月至2021年3月在山西省华晋骨科医院、太原理工大学生物医学工程学院完成。
1.3 材料选取无膝关节疾病史的健康女性志愿者膝关节CT图像数据，年龄37岁。志愿者对实验方案知情同意，此次研究经太原理工大学生物医学工程学院医学伦理委员会批准。
64排螺旋CT(SIEMENS/Sensation 16)；Mimics 19.0及3-Matic 11.0软件(比利时Materialise公司)；Geomagic Wrap 2021(美国 Raindrop公司)；UG NX 11.0软件(德国Siemens PLM Software公司)；Hypermesh 14.0软件(美国Altair公司)；Abaqus 17.0软件(美国Dassault公司)。
1.4 实验方法
1.4.1 人体膝关节模型和活动平台单髁假体几何模型选取志愿者膝关节CT图像数据，拍摄时志愿者采用平躺体位，以保证膝关节不受外力，扫描层厚2 mm，选择数据导出。将上述数据导入到Mimics 19.0(Materialise，Leuven，比利时)构建出主要的骨组织结构。将其导入到软件3-Matic 11.0进行软组织构建以及光滑操作。使用以上两个软件建立膝关节模型，包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨、内外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨与胫骨的内外侧软骨以及髌韧带，如图1所示。对模型进行静力学验证，在股骨上表面施加1 000 N向下垂直载荷，约束胫骨和腓骨的6个自由度方向，约束股骨内外平移和旋转方向，得到了部件的接触应力峰值在5.296-2.457 MPa。结果与LASKIN[9]的结果相似，他的实验将尸体股骨胫骨固定在应力加载试验机上，施加压力1 000 N后完整膝关节接触区域平均接触应力为(8.0±2.0)×10-1 MPa。

1.4.2 假体模型选用山西华晋骨科医院常用的UKA假体(ZIMMER BIOMET，第3代水泥型单髁关节)，此胫骨假体立柱长度为33.2 mm。股骨组件和胫骨组件的材料是钴铬钼合金，衬垫是超高分子量聚乙烯。使用三维扫描仪分别对股骨假体、衬垫、胫骨假体进行扫描，如图2所示。扫描后的假体需要使用Geomagic Wrap进行后处理，将stp格式的股骨胫骨假体与上述自然膝关节进行装配。

1.4.3 网格划分与材料属性有限元分析可以评估不同因素对UKA术后生物力学的影响，以优化假体设计、预防并发症、提高假体生存率及手术效果满意度等[10-13]。使用Hypermesh 14.0软件对所有部件进行网格化划分，根据KANG等[14]的研究结果，设定股骨、胫骨、腓骨网格大小为2 mm，其余软组织韧带网格大小为1 mm，所有网格类型均为四面体。单元数量和节点数量分别为37 592和156 455，参考以往文献[15-17]，为模拟人骨更加真实的生理属性，骨材料属性使用经验公式赋值[18]，材料赋值软件使用Mimics 19.0，全部赋值结果如表1所示。

使用Abaqus 6.02进行装配，股骨内外侧软骨与内外侧半月板设定2对接触，内外侧半月板与胫骨软骨设定2对接触，共4对接触，接触属性设置为罚接触，表面与表面接触的有限滑移，韧带、软骨分别与骨设置为绑定。

1.4.4 胫骨假体立柱长度工况建立如图3所示，胫骨假体立柱原长度为34.2 mm。在此基础上建立了8种不同立柱长度的模型，分别为31，31.5，32，32.5，33，33.5，34，34.5 mm，胫骨假体其他参数不变。股骨假体与衬垫、衬垫与胫骨假体设置罚接触，摩擦系数0.04，胫骨假体与胫骨设置绑定。约束股骨内外侧平移以及内外旋方向，其余方向不做约束，约束胫骨底端所有自由度方向。在股骨上表面施加1 000 N垂直于地面的载荷模拟单腿站立，观察生物力学结果。

1.5 主要观察指标将8种不同长度的胫骨假体立柱分别装配到膝关节中进行有限元模拟计算，观察各部件的应力情况。

讨论

中国逐步步入老龄化时代，老年人发生骨关节炎趋势逐渐增加。UKA手术能有效解决单侧严重的骨关节炎，并且术后疗效可靠[19-20]。UKA术分内侧置换和外侧置换，目前内侧置换的案例要多于外侧置换，UKA术后常见的失效形式有胫骨内侧平台断裂、单髁假体无菌性松动等。临床医生虽依赖于UKA手术器械进行单髁假体置换，但是最终假体的位置确定很大程度上取决于医生的经验和技术[21]。UKA过程中假体安装方式也影响着假体的生存率，安装误差会导致接触应力增大15%左右，进而导致假体磨损加剧，影响膝关节假体的使用寿命[22]。胫骨后倾角影响假体与膝关节之间的应力峰值和接触应力[23-25]。UKA后随着步态屈曲度增加胫骨假体周围应变增加20%，其中内侧置换带来的影响更大[26]。假体周围骨折是UKA的一种复杂并发症，具有严重的后果，并与死亡率和发病率增加有关。UKA手术的假体周围骨折最常见于胫骨侧，因此胫骨平台骨折是假体置入后发生骨折的主要形式[27]，这成为假体失效的主要原因之一。王煜东等[28]研究中指出假体周围骨折的危险因素主要有胫骨平台形态与种族差异、骨质疏松、肥胖、生物型假体的选择和手术操作误差；并将测量下肢力线、抗骨质疏松治疗、选择合适的假体、精确的手术操作作为预防手段。年龄增大和骨质疏松症之间存在关系；与男性相比，女性假体周围胫骨骨折的比例较高，可能是由于女性骨质疏松症的发生率较高。减少了支撑胫骨部件的骨体积，这可能增加骨折的风险。过长的立柱需要长的胫骨槽使松质骨骨质损失更大，甚至侵犯到皮质骨。外科医生应避免大的胫骨切除以及外周定位[29]，特别是那些已没有多少骨容量来支持胫骨部件的患者。BURGER等[30]研究发现胫骨假体周围骨折除与上述原因相关以外，也与术后对齐角度增加、胫骨内侧髁突出有关；也同时提出无骨水泥和骨水泥假体周围骨折发生率相当低，但无水泥与内压技术的过度配合可能会带来额外的风险。在ALETO等[31]的研究中发现，32例UKA患者中有47%的主要失败模式是胫骨内侧平台断裂，并且得出结论，如果是全聚乙烯、固定平台、小一致性的衬垫容易导致过度外周或者局部边缘负荷的影响。在临床病例中发现胫骨组件的龙骨，即立柱结构，其几何结构特征对胫骨平台骨折有着极为重要的影响。MOHAMMAD 等[32]报道了内固定的改进，拓宽龙骨槽可以降低牛津部分膝关节植入物胫骨骨折的风险，同时不影响固定。一些作者建议在非常小的无水泥Oxford Partial Knee假体中改变胫骨龙骨深度，因为目前所有假体的龙骨深度都是相同的，这会增加骨折的风险[33]。每一位患者的胫骨形态不同，胫骨内侧短窄的患者在UKA术后更容易发生内侧平台断裂。另外聚乙烯磨损、无菌性松动和胫骨组件断裂在失败的单室膝关节成形术中很常见[34-36]。
胫骨假体立柱长度会影响假体植入后膝关节的应力。临床上胫骨平台有多种骨折线导致内侧平台骨折，从胫骨龙骨延伸到内侧皮质生成骨折线，这种骨折线可能就与胫骨假体的长度有着一定的关系。临床发现，尤其是胫骨内侧短窄的患者，在UKA术后更容易在胫骨内后方发生应力集中从而发生断裂。此次研究旨在比较不同胫骨假体立柱长度在UKA术后各部件所承受应力的影响，建立了31.5-34.0 mm以0.5 mm递增的共8种立柱长度模型，从胫骨应力、胫骨截骨截面6个不同区域应力以及胫骨假体应力评价不同立柱长度对膝关节的影响。临床使用的胫骨假体立柱长度为34.2 mm，当胫骨假体立柱长度在正常基础上缩短3%，也就是胫骨假体立柱长度为33 mm时，胫骨假体立柱距离前后骨皮质为5 mm左右，此时胫骨应力、胫骨假体位移、前交叉韧带应力、外侧半月板应力、股骨假体应力均处于最小值。在胫骨关节面前内侧几厘米的部位作为应力检测的区域，是因为该部位在临床中是疼痛发生的常见区域，有研究评估该部位胫骨平台骨折可能发生的应力[37-38]，这些研究表明，UKA胫骨前内侧的骨应力会增加60%，这也解释为什么术后胫骨前内侧疼痛。因为不同个体胫骨有着一定的差异，根据所得到的最佳胫骨假体立柱长度数值与受试者本身胫骨内侧前后径长度53 mm相结合，针对UKA术后失效形式，得到当胫骨假体立柱长度占胫骨前后径62%左右，既能得到良好的固定效果，各部件峰值应力较其他工况也较小。
此次研究的不足：只进行了静态模拟，因此，未来更可靠的研究需要模拟更高要求的活动，如步态、坐起椅子、爬楼梯、蹲下等；以后的研究应该增加其他安装位置、假体内外旋转等工况。此外，在UKA手术之前，外科医生应该考虑患者的初始韧带状况、年龄和机械轴，然后筛选有适应证的患者对假体做出针对性的选择。后续研究可以增加步态模拟或者其他日常动作。
患者膝关节大小不一，UKA术后出现的并发症存在差异，但主要出现的失效形式是假体无菌性松动和胫骨内侧髁骨折。单髁假体的结构对膝关节应力有着重要的影响，有限元分析后的结果可以为假体设计提供数据支撑。结构合理的假体可以有效避免UKA术后常见的失效形式。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响

Effect of tibial prosthesis riser length on knee biomechanics after unicompartmental knee arthroplasty

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[1]	李智斐, 杨尹, 陈华龙, 梁钦秋, 钟远鸣, 张翼升. 颈椎前路椎体次全切除减压融合钛笼倾斜角度与术后钛笼下沉的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1313-1319.
[2]	梁成, 张麟麒, 王冠, 李文, 段可, 李忠, 鲁晓波, 卓乃强. 不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1336-1341.
[3]	杨骏良, 路坦, 徐彪, 姜亚琼, 王富成. 前交叉韧带部分断裂对膝关节应力影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1347-1353.
[4]	李永杰, 付申宇, 夏渊, 张达宽, 刘洪举. 膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1354-1358.
[5]	黄夏荣, 胡莉芝, 孙光华, 彭昕珂, 廖瑛, 廖源, 刘静, 尹林伟, 钟培瑞, 彭婷, 周君, 屈萌艰. 电针干预老年膝骨关节炎大鼠关节软骨及软骨下骨P53、P21的表达[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1174-1179.
[6]	霞黑达·依拉尔江, 尼加提·吐尔逊, 热依拉·库尔班, 白布加甫·叶力思, 陈欣. 三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1277-1282.
[7]	王强, 李世芸, 熊鹰, 李甜甜. 不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 821-826.
[8]	魏源标, 林展, 陈燕梅, 杨腾辉, 赵晓, 陈扬声, 周燕辉, 杨敏超, 黄飞麒. 颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 827-832.
[9]	张瑞, 王琨, 沈子聪, 毛路, 吴小涛. 内镜下椎间孔成形和椎板间成形对椎间盘、椎体峡部生物力学特性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 833-839.
[10]	康志杰, 曹振华, 许阳阳, 张云凤, 金凤, 苏宝科, 王利东, 仝铃, 刘清华, 方源, 沙丽蓉, 亮亮, 李濛濛, 杜奕霏, 林琳, 王海燕, 李筱贺, 李志军. 强直性脊柱炎腰椎-骶骨椎间盘有限元模型建立及应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 840-846.
[11]	黄培镇, 董航, 蔡群斌, 林梓凌, 黄枫. 顺行和逆行髓内钉治疗不同部位股骨干骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 868-872.
[12]	王明明, 张中, 孙建华, 赵刚, 宋华, 颜华东, 吕彬. 胫骨远端骨折伴软组织损伤3种不同微创固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 879-885.
[13]	宁天亮, 王坤, 王领彪, 韩鹏飞. 基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 891-899.
[14]	季贵柱, 郑秋, 汪武祥, 王冠, 李文, 鲁晓波, 段可, 李忠, 杨洪彬, 梁成. 原生喙锁韧带及柔性重建后有限元仿真和实验测试[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 706-711.
[15]	申飞燕, 姚吉祥, 苏珊珊, 赵忠民, 唐巍东. 敲低环状RNA WD重复含蛋白1抑制膝骨关节炎软骨细胞增殖并诱导凋亡[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(4): 499-504.