股骨假体对位不齐对骨质疏松患者膝关节内侧单髁置换后外侧间室结构应力的影响

doi:10.12307/2025.108

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (15): 3153-3158.doi: 10.12307/2025.108

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股骨假体对位不齐对骨质疏松患者膝关节内侧单髁置换后外侧间室结构应力的影响

刘蒙飞，孙荣鑫，姜侃

新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

收稿日期:2023-11-18 接受日期:2023-12-22 出版日期:2025-05-28 发布日期:2024-11-04
通讯作者: 姜侃，副教授，新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000
作者简介:刘蒙飞，男，1992 年生，河南省洛阳市人，汉族，新疆医科大学在读硕士，主要从事骨与关节损伤研究。共同第一作者：孙荣鑫，男，1977年生，新疆维吾尔自治区沙湾县人，博士，主任医师，主要从事骨与关节损伤研究。

Stress effect of femoral prosthesis misalignment on structure of lateral compartment during medial unicompartmental knee arthroplasty in patients with osteoporosis

Liu Mengfei, Sun Rongxin, Jiang Kan

Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2023-11-18 Accepted:2023-12-22 Online:2025-05-28 Published:2024-11-04
Contact: Jiang Kan, Associate professor, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Liu Mengfei, Master candidate, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China Sun Rongxin, MD, Chief physician, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China Liu Mengfei and Sun Rongxin contributed equally to this article.

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
单髁置换：是相对全膝关节置换而言的一种新型微创手术，仅置换单侧病损的间室，用以替代膝关节损坏的软骨面，最大限度地保留了患者的本体感觉和关节功能。
有限元分析：在医学中主要应用于骨科生物力学及医学辅助器材应用方面，结合影像重建三维建模软件建立三维模型。通过专用分析软件对医学骨科的各种手术情况进行数字模拟。

摘要
背景：假体对位不齐和患者骨质情况是影响单髁置换预后的重要因素，内侧单髁置换后外侧间室骨关节炎进展是导致其高翻修率的主要并发症。因此，这将成为今后的研究热点。
目的：分析不同股骨假体倾斜角度对正常骨质和骨质疏松患者内侧单髁置换后外侧间室结构应力的影响，并探讨骨质疏松与术后外侧间室骨关节炎的相关性。
方法：使用经验证的膝关节有限元模型，建立正常骨质(M1)和骨质疏松(M2)单髁置换模型，并分别建立股骨假体倾斜模型(正常骨质组：内倾3°，6°，9°，12°、标准位置0°、外倾3°，6°，9°，12°；骨质疏松组：内倾3°，6°，9°，12°、标准位置0°、外倾3°，6°，9°，12°)，共计18种工况。评估不同股骨假体倾斜角度对外侧间室半月板、胫骨软骨和股骨软骨的应力大小和分布的影响。
结果与结论：①两组模型外侧间室半月板表面和胫骨软骨表面的高应力值随假体内倾角度的增加而增加，随假体外倾角度的增加而减小，相同工况下骨质疏松组半月板表面的峰值应力大于正常骨质组，但骨质疏松组胫骨软骨表面的峰值应力却小于正常骨质组；②两组模型外侧间室股骨软骨的高应力值随假体内倾和外倾角度的增加而增加，相同工况下骨质疏松组股骨软骨的峰值应力大于正常骨质组；③提示固定平台股骨假体内倾时，正常骨质和骨质疏松膝关节内侧单髁置换后外侧间室结构的应力均将增加，骨质疏松膝关节外侧间室应力增加更为明显；所以单髁置换过程中应特别注意假体安放位置，尽量避免内倾和外倾；同时，研究结果证实了骨质疏松可能会加重内侧单髁置换后外侧间室骨关节炎的进展。

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: 膝, 骨关节炎, 骨质疏松, 单髁置换, 股骨组件, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Prosthesis misalignment and patient bone condition are important factors affecting the prognosis of unicompartmental knee arthroplasty, and postoperative osteoarthritic progression of the lateral compartment is a major complication leading to its high revision rate. Therefore, this will become a hot research topic in the future.
OBJECTIVE: To analyze the effect of different femoral prosthesis tilt angles on the stress on the structure of the lateral compartment after unicompartmental knee arthroplasty in patients with normal bone and osteoporosis, and to investigate the correlation between osteoporosis and osteoarthritis of the lateral compartment in the postoperative period.
METHODS: Using a validated finite element model of the knee, normal bone (M1) and osteoporotic (M2) unicompartmental knee arthroplasty were modeled. The femoral prosthesis tilt models (normal bone group: varus angles of 3°, 6°, 9°, 12°, and 0°, valgus angles of 3°, 6°, 9°, 12°; osteoporosis group: varus angles of 3°, 6°, 9°, 12°, 0°, valgus angles of 3°, 6°, 9°, 12°) were established respectively, totaling 18 working conditions. The effects of different femoral prosthesis tilt angles on stress magnitude and distribution in the meniscus, tibial cartilage, and femoral cartilage of interstitial compartment were evaluated.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The high stress values on the meniscus surface and tibial cartilage surface of the healthy lateral compartment of the two models increased with the increase of the prosthesis varus angle, and decreased with the increase of the prosthesis valgus angle. Under the same working conditions, the peak stress on the meniscus surface of the osteoporotic group was greater than that of the normal bone group, but that of the tibial cartilage surface of the osteoporotic group was less than that of the normal bone group. (2) The high stress values on the femoral cartilage of the lateral compartment of the two models increased with the increase of the prosthesis varus and valgus angles. Under the same working conditions, the peak stress on the femoral cartilage of the osteoporotic group was greater than that of the normal bone group. (3) It is indicated that when the fixed-bearing femoral prosthesis is varus, the stresses on the lateral compartment structures after medial unicompartmental knee arthroplasty in normal bone and osteoporotic knees will increase, and the increase in the stresses on the lateral intercondylar structures in osteoporotic knees will be more pronounced. Therefore, special attention should be paid to the placement of the prosthesis during unicompartmental knee arthroplasty to avoid varus and valgus of the prosthesis as much as possible. At the same time, the findings confirm that osteoporosis may exacerbate the progression of lateral compartment osteoarthritis after medial unicompartmental knee arthroplasty.

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Key words: knee, osteoarthritis, osteoporosis, unicompartmental knee arthroplasty, femoral component, biomechanics

中图分类号:

刘蒙飞, 孙荣鑫, 姜侃. 股骨假体对位不齐对骨质疏松患者膝关节内侧单髁置换后外侧间室结构应力的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(15): 3153-3158.

Liu Mengfei, Sun Rongxin, Jiang Kan. Stress effect of femoral prosthesis misalignment on structure of lateral compartment during medial unicompartmental knee arthroplasty in patients with osteoporosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(15): 3153-3158.

图/表（结果） 3

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引言

单髁置换广泛应用于涉及孤立的内侧间室膝骨关节炎的治疗，具有良好的早期疗效[1]。单髁置换的潜在优势包括更正常的步态姿势、更好的运动范围、保存更多的骨量和恢复的更快[2]。尽管单髁置换相对于全膝置换具有突出的优势，但更高的翻修率一直是制约单髁置换发展的重要原因，其原因与术后并发症密切相关，诸如外侧间室骨关节炎进展、术后疼痛、假体周围骨折和松动
等[3-9]。外侧间室骨关节炎更常见于术后中期和晚期，中期发病率约为38%，晚期发病率约为40%，被认为是单髁置换术后不可逆的并发症[4]。
此外，单髁置换术需要一个技术要求很高的程序和精确的假体定位，假体错位与术后中远期并发症密切相关[10-11]。既往相关研究表明，假体的对位不齐可能导致接触变化和应力增加。例如，KANG等[2]的研究建立了股骨假体内翻9°到外翻9°的单髁模型，结果表明，外科医生应避免股骨假体外翻错位，尤其是超过9°的错位，这可能会导致更高的内侧副韧带张力。MA等[12]的研究表明，股骨假体错位将显著影响膝关节内部结构的应力，尤其是聚乙烯衬垫应力，股骨假体冠状面倾斜超过6°可能会显著增加聚乙烯衬垫表面的应力。ZHU等[13]对胫骨假体内外翻模型进行分析，认为随着胫骨假体外翻倾斜度超过4°，内侧皮质骨近端的应力和压缩应变显著增加，这可能会增加残余疼痛的风险。然而，既往相关假体错位的生物力学研究主要集中在假体对位不齐后手术侧室结构的应力分析上[14-18]，这些研究没有考虑假体错位后外侧间室结构的应力问题，包括半月板、胫骨软骨和股骨软骨应力大小和分布的影响。
患者因素是影响单髁置换术生存率的潜在因素。骨质疏松症在膝骨关节炎患者中较为常见，在行人工关节置换的高龄患者中常合并骨质疏松症[19-20]。目前在单髁置换的适应证中尚未明确提及与骨质疏松症相关的问题，骨质减少已被证明与单髁置换术后并发症密切相关[21-22]。例如，THOREAU等[19]在对单髁置换术后假体周围骨折进行综述时指出，骨质疏松可能是导致单髁置换术后应力性骨折以及胫骨前内侧疼痛残留的重要原因。涂意辉等[22]
的回顾性研究指出，老年绝经后女性骨关节炎患者中合并骨质疏松十分常见，术中操作应避免使用暴力，术后应规范化抗骨质疏松治疗。既往相关研究更加注重骨质正常的健康人和单髁置换术后手术侧结构的应力情况。针对骨质疏松和假体错位，此次研究提出一个问题：假体错位是否会加剧骨质疏松患者术后外侧间室骨关节炎的进展？
应用实验方法直接研究股骨组件错位的生物力学影响是不切实际的。然而，这些限制可以通过有限元分析解决。此次研究采取参数化建模的方法来评估股骨假体对位不齐对骨质疏松患者单髁置换术后外侧间室结构生物力学的影响。具体而言，通过建立正常骨质和骨质疏松膝关节模型，使用固定平台假体，分别调整股骨假体位置建立不同股骨假体内倾/外倾单髁模型，分析不同骨质外侧间室半月板、胫骨软骨和股骨软骨的应力大小和分布情况。

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

材料方法

1.1 设计 建立正常骨质和骨质疏松单髁置换模型，并以此建立股骨假体倾斜模型。
1.2 时间及地点 实验于2023年6-8月在新疆医科大学第六附属医院完成。
1.3 对象 研究对象为一名34岁男性志愿者，体质量
60 kg，志愿者右下肢被用来代表膝盖模型的几何完整性，根据受试者的CT和MRI重建解剖结构，受试者已签署知情同意书。重建前，受试者的X射线片显示，下肢呈中性排列，没有解剖异常、既往手术和关节炎病史。此次研究经新疆医科大学第六附属医院伦理委员会批准，伦理批件号：LFYLLSC20210820-05。
1.4 方法
1.4.1 正常骨质完整膝关节模型的建立根据志愿者CT和MRI分别重建骨结构(包括股骨、胫骨、腓骨和髌骨)和软组织(包括关节软骨、半月板和韧带)的轮廓。使用64排螺旋CT扫描仪(Siemens 公司，德国)和3.0T核磁共振扫描仪(Siemens 公司，德国)进行医学成像。CT和MRI扫描的切片厚度分别为1 mm和0.6 mm。选取范围：髌骨中点上、下15 cm。
将CT和MRI数据导入Mimics 21.0(Materialise公司，比利时)软件，并进行图像处理和重建。首先进行图像配准，然后使用阈值分割工具和区域增长工具，分离出各骨结构和软组织的蒙版。再使用蒙版编辑工具中的增加和消除功能对蒙版进行修整，以得到更加准确的下肢重建模型，并将其数据储存为STL文件。将各结构的STL文件导入Geomagic Studio 2014(3D Systems公司，美国)软件，进行降噪和光顺处理，数据储存为IGES格式。然后将数据导入NX 1911(Siemens公司，德国)中建立下肢三维实体模型。将处理后的文件导入Ansys workbench 2019 (ANSYS公司，美国)中，骨结构被假定为使用四面体10节点外壳元件的刚体。关节软骨、半月板及韧带被建模为各向同性，具有线性弹性材料特性[2]。骨骼和关节软骨界面被定义为完全捏合。半月板与股骨软骨、半月板与胫骨软骨、股骨软骨与胫骨软骨摩擦系数设置为0.01，定义其为有限滑动的表面接触[12]。对半月板和股骨软骨、半月板和胫骨软骨以及软骨之间的接触进行建模，从而产生6对接触[23-24]。各结构材料参数见表1，骨骼模型见图1。

1.4.2 模型验证方式参考既往相关文献，基于两种方法进行模型验证，即轴向应力实验和前抽屉实验[25]。轴向应力实验：膝关节取伸直位，采用1 125 N(2倍体质量)轴向载荷，在股骨上方垂直于内外髁中点为施载点。前抽屉实验：膝关节取屈曲位，改变边界条件，胫腓骨限制屈伸活动，股骨完全约束自由度，采用130 N的向前载荷，以胫骨内外侧髁的中心为施载点。观察轴向载荷时内外侧间室的载荷分布和前抽屉实验时胫骨前方前移距离，与文献相比验证有限性。
1.4.3 正常骨质和骨质疏松膝关节不同倾斜角度单髁置换模型的建立使用已导入Ansys workbench 2019中的固定平台单髁假体(LINK公司，德国)，根据股骨和胫骨的尺寸，选择匹配的单髁假体，将固定平台单髁假体有限元模型虚拟植入完整的正常骨质膝关节有限元模型的内侧间室。并使用外科技术进行适当的定位、修剪，将假体与骨骼啮合。在装配前，在截骨面模拟涂抹骨水泥，并在装配后保持骨水泥1 mm厚度。股骨假体保持中立位，胫骨底座在冠状面上保持无倾斜，后倾保持7°。得出正常骨质膝关节单髁置换模型，见图1。参考既往对脊柱和髋关节骨质疏松模型建模方法，骨质疏松膝关节模型中皮质骨弹性模量约为正常骨质皮质骨的67%，松质骨弹性模量约为正常骨质松质骨的34%[26-27]。
以正常骨质膝关节单髁置换模型的装配过程为依据，建立骨质疏松膝关节单髁置换模型。分别建立正常骨质组内倾3°，6°，9°，12°、标准位置0°、外倾3°，6°，9°，12°；骨质疏松组内倾3°，6°，9°，12°、标准位置0°、外倾3°，6°，9°，12°，共18种工况。正常骨质组记为M1组，骨质疏松组记为M2组。
1.5 主要观察指标 在膝关节处于伸直位状态时，于股骨上方施加垂直向下1 125 N的静态载荷，观察半月板表面、胫骨软骨表面和股骨软骨等效应力的高应力值。
1.6 统计学分析 使用SPSS 26.0专业软件进行分析，组内采取高应力值最大的6个应力值，并以x±s表示，各组内倾和外倾高应力值均与同组0°(标准位置)的高应力值相比较，差异有显著性意义记为P < 0.05。组间采取等效应力峰值(应力最大值)进行比较，并以折线图表示差异。文章统计学方法已经新疆医科大学生物统计学专家审核。

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讨论

单髁置换作为一种保膝手术，仅对病变间室进行置换，具有良好的术后效果，但远期生存率却不如全膝置换术[9]。患者选择和假体定位是影响单髁置换预后的重要因素，骨质疏松和假体错位已被证明可能导致术后膝关节内部应力异常[12，19]，这两种因素是否会导致术后外侧间室骨关节炎进展仍不得而知。此次研究结果显示，两组模型外侧间室半月板表面和胫骨软骨表面的高应力值随股骨假体内倾角度的增加而增加，随外倾角度的增加而减小，而股骨软骨的高应力值随假体内倾和外倾角度的增加而增加。相同工况下，M2组半月板表面和股骨软骨的峰值应力大于M1组，但M2组胫骨软骨表面的峰值应力却小于M1组。
半月板在膝关节中起着载荷分担器和减震器的作用，是膝关节的重要组成部分。此次研究结果显示，M2组模型中半月板表面高应力值随股骨假体内倾角度的增大而增大，随外倾角度的增加而减小。这可能是因为随着内倾角度增加，外侧间室股骨软骨与半月板的接触面积增加所致，而外倾时两者接触面积减少。此外，股骨假体对位不齐也会导致内外侧间室载荷比例发生变化，内倾时外侧间室载荷增加，外倾时外侧间室载荷减少[12]。此次研究还发现，相同工况下，M2组模型的半月板表面峰值应力均大于M1组。这可能是因为骨质疏松时，松质骨弹性模量仅为正常骨质时的34%，松质骨减少的应力发生转移，一部分转移到手术侧结构的应力上，一部分转移到了外侧间室结构，致使半月板的应力增大[14，28-29]。此外，此次研究发现，半月板表面的主要应力部位位于前角和后角，前角应力值大于后角应力值，这可能导致两部位的半月板损伤，致使关节间隙变窄[30]。
关节软骨的进行性退变是膝骨关节炎发展的主要特征，关节软骨是一种承载、润滑关节的软组织，软骨的异常应力与膝骨关节炎的进展密不可分。此次研究结果显示，M2组模型中胫骨软骨表面的高应力值随股骨假体内倾角度的增大而增大，随外倾角度的增加而减小。首先，可能是载荷传递引起的，内倾到外倾的过程中，外侧间室载荷比例的减小，再加之外倾时侧副韧带的拮抗，导致胫骨软骨应力也随之减少。其次，骨质疏松时，皮质骨和松质骨的弹性模量均有不同程度的下降，承担的应力也会减少，减少的应力发生转移，致使胫骨接触面上的外侧间室软骨和聚乙烯衬垫的应力增加[28-29]。组间相比，相同工况下，M2组模型胫骨软骨表面的峰值应力均小于M1组。其一，可能是因为胫骨软骨本身弹性模量较低，为10 MPa，骨质疏松时应力转化为弹性势能的能力增强；其二，骨质疏松导致软骨和软骨下骨功能单元发生改变，软骨下骨比上覆软骨具有相对更大的硬度和强度，它能吸收从关节表面传递的大部分应力，软骨下骨密度显著降低，软骨下骨消散负载应力的能力降低，可能会使胫骨软骨的应力降低，这对维持软骨稳态是有害的[31]。
股骨软骨和胫骨软骨均是分担膝关节载荷的主要结构，股骨软骨在缓冲、吸收应力和维持膝关节稳定性等方面具有重要作用。此次研究显示，M2组模型中股骨软骨的高应力值随股骨假体内倾/外倾角度的增大而增大，相同工况下，M2组模型股骨软骨的峰值应力均大于M1组。首先，可能是因为骨质疏松时，骨量减少，股骨软骨受应力转移的影响，导致其应力增大[14，28]；其次，外侧间室股骨软骨对股骨假体错位更敏感，内倾/外倾错位均会导致股骨软骨的应力有不同程度的增加。股骨软骨的主要应力点位于上覆外侧髁远端中心位置的软骨上，呈椭圆形，这一部位是主要应力区域，同时也是软骨磨损的主要发生部位。
骨质疏松对于股骨假体错位对股骨软骨和胫骨软骨应力的影响存在不同的趋势。M2组各倾斜角度胫骨软骨峰值应力小于M1组，M2组各倾斜角度股骨软骨峰值应力大于M1组。这一趋势可能是因为胫骨软骨受载荷转移的影响小于胫骨软骨下骨骨密度降低对其的影响，当其受股骨侧应力时，支撑胫骨软骨受力的下方骨质骨密度降低，致使其应力减小，受形变越大[31]。相较于正常骨质，骨质疏松时胫骨软骨应力转化弹性势能增加；相反，股骨侧作为施力侧(传导应力)，受载荷转移的影响大于股骨骨密度降低对其的影响。一方面股骨软骨受胫骨骨质骨密度降低导致的应力转移影响，另一方面股骨软骨吸收部分胫骨软骨的弹性势能(反作用力)，因此骨质疏松时股骨侧和胫骨侧软骨呈现不同的趋势。股骨软骨应力与胫骨软骨应力之间似乎存某种平衡关系，这种相互关系在骨质疏松时更为显著。在载荷不变的条件下符合能量守恒定律[32]。骨质疏松时，虽然胫骨软骨应力偏小，但半月板和股骨软骨的应力增加，将增加对股骨软骨和半月板的磨损，致使关节间隙变窄，从而加剧外侧间室骨关节炎的进展。
然而，这项研究有一些局限性。首先，假体与聚乙烯衬垫之间定义为完全结合，未考虑聚乙烯衬垫可能发生的微动；其次，只有完整的模型得到了验证；第三，关节软骨被认为是一种弹性材料，没有考虑各向异性和黏弹性的影响；最后，步态模拟是单独进行的，为了在未来进行更可靠的研究，需要对更高要求的活动进行模拟，如升椅-坐椅、爬楼梯-下蹲；最后，此次研究只改变了股骨假体冠状面位置，未进行平移、旋转、前屈和后滚等条件的分析，也未改变胫骨假体位置，这将成为后期研究的主题。
综上所述，此次研究虽具有一定的局限性，但模型新颖，可信度角较高，对临床实践具有一定的参考意义。采用科学的验证方法证实模型的有效性，能够准确反映正常骨质和骨质疏松的生物力学影响。实验结果表明，固定平台股骨假体内倾时，正常骨质和骨质疏松膝关节内侧单髁置换术后外侧间室结构的应力将增加，骨质疏松膝关节外侧间室应力增加更为明显。所以，单髁置换术中应特别注意假体安放位置，尽量避免内倾和外倾。同时，研究结果证实了骨质疏松可能会加重内侧单髁置换术后外侧间室骨关节炎的进展。

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

股骨假体对位不齐对骨质疏松患者膝关节内侧单髁置换后外侧间室结构应力的影响

Stress effect of femoral prosthesis misalignment on structure of lateral compartment during medial unicompartmental knee arthroplasty in patients with osteoporosis

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