单髁置换与全膝置换：假体接触表面的应力分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.22.005

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (22): 3467-3471.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.22.005

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单髁置换与全膝置换：假体接触表面的应力分析

周秉正，白伦浩，李彬，王广斌

中国医科大学附属盛京医院，辽宁省沈阳市 110004

收稿日期:2015-04-19 出版日期:2015-05-28 发布日期:2015-05-28
通讯作者: 白伦浩，博士，教授，中国医科大学附属盛京医院，辽宁省沈阳市 110004
作者简介:周秉正，男，1984年生，辽宁省人，汉族，2014年中国医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事关节外科、运动创伤方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81272050)

Unicompartmental arthroplasty versus total knee arthroplasty: stress analysis of prosthetic contact surface

Zhou Bing-zheng, Bai Lun-hao, Li Bin, Wang Guang-bin

Shengjing Hospital of China Medical University, Shenyang 110004, Liaoning Province, China

Received:2015-04-19 Online:2015-05-28 Published:2015-05-28
Contact: Bai Lun-hao, M.D., Professor, Shengjing Hospital of China Medical University, Shenyang 110004, Liaoning Province, China
About author:Zhou Bing-zheng, Master, Attending physician, Shengjing Hospital of China Medical University, Shenyang 110004, Liaoning Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81272050

摘要/Abstract

摘要：

背景：单髁置换相比全膝置换具有微创优势，但相对于全膝置换金标准，单髁置换生存率仍存争议。
目的：参数化建立人工单髁置换与全膝置换三维有限元模型，对比分析两者假体接触表面的应力变化。
方法：选择1例单侧行人工单髁置换、对侧行人工全膝置换的志愿者，置换前采用3D CT扫描膝关节，通过三维软件建立膝关节模型，然后通过参数化软件设计与膝关节模型相匹配的关节假体，建立膝关节单髁置换与全膝置换三维模型，最后通过有限元分析软件模拟膝关节在站立和水平行走情况下，膝关节屈曲度分别为0°，10°，30°，60°时内髁的最大等效应力，并进行比较分析。
结果与结论：在模拟站立位时，单髁置换假体与全膝置换假体0°，10°时最大等效应力差异无显著性意义(P > 0.05)，模拟30°，60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体15.01%，6.08%，差异有显著性意义(P < 0.05)。模拟水平行走时，模拟0°，10°，30°，60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体5.45%，6.65%，6.67%，9.01%，差异有显著性意义(P < 0.05)。提示单髁置换假体与全膝置换假体水平位元件对聚乙烯垫片磨损无实际意义，但在水平运动时，单髁置换假体聚乙烯垫片磨损可能高于全膝置换假体，可为临床进一步提供指导意义。

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: 植入物, 数字化骨科, 单髁置换, 全膝关节置换, 三维有限元, 最大等效应力, 生物力学, 应力, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Compared with total knee arthroplasty, unicompartmental arthroplasty has the advantage of minimal invasion. Regarding the gold standard of total knee arthroplasty, the survival rate of unicompartmental arthroplasty remains controversial.
OBJECTIVE: To establish three-dimensional finite element model of unicompartmental arthroplasty and total knee arthroplasty, and comparatively analyze the changes in stress on the prosthetic contact surface.
METHODS: One case underwent unicompartmental arthroplasty on one side, and received total knee arthroplasty on the opposite side. Knees were scanned by 3D CT before operation. Knee models were established by three-dimensional software. The matched prosthesis was designed by parameterization software. Three-dimensional models for unicompartmental arthroplasty and total knee arthroplasty were established. By finite element analysis software, maximal equivalent stress was simulated when knee flexion was 0°, 10°, 30° and 60° in standing and walking cases, and results were compared and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: No significant difference in maximal equivalent stress was detected when knee
flexion was 0° and 10° in unicompartmental arthroplasty prosthesis and total knee arthroplasty prosthesis in standing case (P > 0.05). At knee flexion of 30° and 60° in standing case, the maximal equivalent stress was significantly greater in unicompartmental arthroplasty prosthesis than in the total knee arthroplasty prosthesis (15.01%, 6.08%; P < 0.05). When knee flexion was 0°, 10° 30° and 60° in standing case, the maximal equivalent stress was higher in unicompartmental arthroplasty prosthesis than in the total knee arthroplasty prosthesis (5.45%, 6.65%, 6.67%, 9.01%; P < 0.05). These findings verified that in the case of standing, there was no practical significance in wearing of polyethylene insert between unicompartmental arthroplasty prosthesis and total knee arthroplasty prosthesis. In the case of walking, the wearing of unicompartmental arthroplasty may be higher than that of total knee arthroplasty prosthesis, which provides guidance for the clinical practice.

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

Key words: Arthroplasty, Replacement, Knee, Finite Element Analysis, Stress, Mechanical

中图分类号:

R318

周秉正，白伦浩，李彬，王广斌. 单髁置换与全膝置换：假体接触表面的应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(22): 3467-3471.

Zhou Bing-zheng, Bai Lun-hao, Li Bin, Wang Guang-bin. Unicompartmental arthroplasty versus total knee arthroplasty: stress analysis of prosthetic contact surface [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(22): 3467-3471.

图/表（结果） 2

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引言

1968年Gunston最早设计出膝关节单髁假体，其设计原理主要是区别全膝置换假体而单独替换膝关节内侧髁或外侧髁。在此基础上，1973年Marmor首次设计出单髁膝关节假体并应用于临床，假体元件特点是股骨元件固定式且滑槽切迹较窄，胫骨元件为嵌入式，胫骨元件下沉及假体松动为其早期术后并发症，临床效果不佳，应用较差。20世纪80年代后，Goodfellow在全膝置换假体基础之上，设计出半月板型承载假体，其设计原理为借助半月板型聚乙烯垫片来增加股骨元件与胫骨元件接触表面吻合度，减少接触应力^[1]。

牛津活动性半月板型单髁假体是由弧形股骨元件、平形胫骨元件及活动的半月板聚乙烯垫片组成。其活动性的半月板聚乙烯垫片将接触面吻合差的一个接触面转为2个高吻合度的接触面，解决了以往元件磨损高的问题，进而解决了胫骨元件下沉及松动问题，但经过随访，其早期的脱位率较高。这一阶段单髁置换的临床效果不佳，主要原因为假体在设计上存在一定的缺陷，胫骨元件应力较为集中，而股骨元件的限制又加重了胫骨元件的应力，最终导致相关并发症发生。由于早期的单髁置换临床疗效不佳，单髁置换的发展曾一度受到限制。假体设计缺陷是早期单髁置换失败的原因之一。早期假体的聚乙烯衬垫过薄，假体关节面过窄，聚乙烯垫片容易磨损。

随着现代对单髁置换适应证的深入研究、假体、器械设计及手术方法的改进，其假体松动、元件脱位等并发症较少发生，术后随访的结果令人满意。现代单髁置换假体的股骨元件通常包含2个固定柄，胫骨元件通常包含数个固定柄或是粗糙接触面以加强元件固定。股骨元件的设计厚度必须与截骨的骨厚度相吻合，截骨后股骨元件的滑槽置放于截除的骨表面上，而胫骨元件的尺寸取决于胫骨截骨的股表面。半月板聚乙烯垫片的设计厚度是由膝关节全屈全伸后残余的空间设定。牛津3代单髁置换假体通过将股骨内髁处理成半径一致的球形接触面，形成了股骨元件与半月板聚乙烯垫片的球-球接触面和胫骨元件与半月板聚乙烯垫片平形-平形接触面，保证了置换后的膝关节无论出于屈曲还是伸直状态关节最大接触面，减少了表面接触效应力，进而减少假体元件的磨损。经过多年随访报道，牛津3代单髁置换假体使用寿命较高，假体翻修率较低，修复优良率在 90%-95%^[2]，15年假体生存率高达95%^[3]。

目前单髁置换与经典的全膝置换多从临床疗效方面进行比较，并未从力学方面进行假体的比较。文章基于这一点，运用三维有限元法对Oxford Ⅲ代单髁置换假体与传统经典全膝置换假体进行对比，以期为临床提供指导。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

设计：对比观察试验。
时间及地点：于2014年1至6月在中国医科大学附属盛京医院关节运动骨科、沈鼓集团研究所完成。
对象：志愿者为64岁女性，体质量60 kg，由同一组医师、同一日行左侧单髁置换和右侧全膝置换，见图1。
纳入标准：①志愿者选择单侧行人工单髁置换、对侧行人工全膝关节置换。②符合单髁置换指征：DR显示对侧间隙和髌股间隙不累计或轻度累及；膝关节活动范围≥ 90°，屈曲畸形≤ 5°，膝内翻畸形≤ 10°，膝外翻畸形≤15°；前交叉韧带性能完整。③志愿者对治疗及试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。
排除标准：有单髁置换禁忌证。
材料：假体使用美国Biomet公司Oxford Ⅲ代单髁置换假体与Vanguard全膝置换假体，二者股骨、胫骨组件均为铸造钴铬钼合金材料，半月板组件均为超高分子量聚乙烯材料，生物相容性良好。
方法：
膝关节模型建立：采用飞利浦3D CT术前进行双侧膝关节扫描^[4]，扫描后导入Display影像系统储存图像资料。应用Mimics软件，调至一定阈值，通过阈值分析、空洞修补及计算机重建建立股骨、胫骨、腓骨和髌骨子模型。进而建立膝关节模型，建立表面模型^[5-8]。

假体模型建立：采用3D激光扫描仪对假体进行扫描，获得假体三维模型，导入Pro/E软件进行模型重构，进而组建零件。基于3D CT数据，选择与之数据匹配假体^[9]。关节置换后三维有限元模型建立先模拟单髁置换，行胫骨截骨，据截取胫骨平台确定胫骨假体的尺寸。然后根据股骨假体型号对应的截骨模块，行股骨截骨并依此确定股骨假体的尺寸。最后将单髁置换假体三维模型导入Mimics中组装单髁置换术模型。同理，行另侧全膝关节置换术模型建立，分别导入到逆向工程软件Geomagic进行曲面拟合并生成带坐标系三维模型，最后导入到Ansys有限元分析软件^[10]。
模型三维有限元分析：为更好的模拟膝关节受力分析，分别模拟膝关节模型在站立位和水平位，模型屈曲度分别为0°，10°，30°，60°时的应力分析^[11]。站立位和水平行走对应垂直负荷为体质量的0.43，3.02倍^[12-13]，对应垂直负荷力为25.084 N，1 775.76 N，定义假体为线弹性材料，超高分子量聚乙烯理想弹塑性材料，钴铬钼合金弹性模量210 GPa，泊松比为0.29，股骨弹性模量为21 GPa，泊松比为0.3，超高分子量聚乙烯弹性模量0.7 GPa，泊松比为0.46，屈服应力为22.5 MPa，接触面摩擦系数为0.038^[14]。
主要观察指标：模拟膝关节在站立和水平行走情况下，膝关节屈曲度分别为0°，10°，30°，60°时膝关节内髁最大等效应力。
统计学分析：统计学处理由第一作者完成，使用SPSS 19.0软件，采用方差分析比较不同模拟体位及各角度最大等效应力差异是否有显著性意义，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

膝关节骨关节炎是常见的疾病之一，WTO已将骨性关节炎列为继心血管疾病、癌症之后第三大威胁人类生命健康疾病，每年耗费巨大人力财力来治疗骨性关节炎。而对于重度膝关节骨关节炎，保守治疗多无效，多选择行人工膝关节置换，其经典术式是人工全膝关节置换。但Satku^[15]调查发现在行人工全膝关节置换患者中，5%-20%为膝关节单间室病变，而针对膝关节单间室骨关节炎患者术式选择，目前包括人工全膝关节置换、人工单髁置换、胫骨高位截骨等术式，哪种术式更适合单间室骨关节炎患者，目前国内外学者还存在争议[^16]。

1973年Mamor率先报道了单髁置换假体，由于早期的临床效果不佳，术后翻修率高，单髁置换的发展也曾一度受到限制。随着如今现代医学对骨性关节炎逐步认识，单髁置换适应证深入研究及假体、手术器械的改进，单髁置换的疗效完全可以与全膝置换相媲美。与全膝置换相比，单髁置换由于在操作上对韧带、半月板等稳定装置破坏较少，因此术后对膝关节的稳定功能影响不大，并且具有创伤小、切口小、截骨量少、出血少、术后疼痛轻、保留膝关节本体感觉、康复快等诸多优点^[17-18]，使之术后更接近“正常关节”^[19-21]。据Pietschmann等^[22]报道，使用Oxford Ⅲ假体置换的患者，在术后体育活动方面也具有较高的满意度。

在人工膝关节置换中，股骨元件与胫骨元件接触应力直接影响了聚乙烯垫片的磨损^[23]，而聚乙烯垫片直接影响假体的使用年限^[24]。单髁置换假体经历全聚乙烯平台固定型假体使用过程，考虑到全聚乙烯平台固定型假体垫片具有厚度优势，进而耐磨度高，假体返修率低，但实际上Saenz等^[25]统计144例使用全聚乙烯平台固定型假体单髁置换后患者分析认为全聚乙烯平台固定型假体返修率高，不建议使用该类型假体。对于半月板聚乙烯垫片选择的方面，近年来有学者提出多双层的聚乙烯垫片可减少磨损度的观点。然而，多数人认为，聚乙烯垫片的厚度必须保持在大于6 mm以上才能避免减少使用寿命问题，保证假体的使用安全。

目前临床上单髁置换假体的应用都为组合式聚乙烯金属托固定型假体，其设计原理是在聚乙烯垫片组件下插入一金属卡托组件，使其可以有效防止半月板聚乙烯垫片蠕变, 进而使股骨及胫骨元件应力的分布更加均匀，但半月板聚乙烯垫片中使用卡托，则牺牲了半月板聚乙烯垫片的厚度，减少了其厚度, 进而可能造成半月板聚乙烯垫片的耐磨性降低, 增加了术后单髁置换的假体返修率^[26]。

作者正是基于这一点，利用三维有限元研究活体单髁置换假体模型与传统经典全膝置换假体力学比较，通过假体在不同模拟体位及膝关节屈曲度的情况下，单髁置换假体的胫骨元件和全膝置换假体胫骨元件内髁的最大应力分布，来比较二者的力学特性。本文通过在三维有限元模型研究中发现，单髁置换假体最大应力集中于胫骨元件的前部，全膝置换假体最大应力分布集中于胫骨元件的中部。在模拟站立位情况下，0°，10°时，单髁置换假体胫骨元件与全膝置换假体胫骨元件内髁的最大应力并不明显，只有在模拟屈曲30°，60°时，单髁置换假体的胫骨元件的表面应力高于全膝置换假体胫骨元件。这与二者假体的设计有关，在0°，10°时，单髁置换假体与全膝置换假体的股骨元件与半月板聚乙烯垫片的接触面均为相对的弧-弧/球-弧接触面，而在30°，60°时，单髁置换假体股骨元件与半月板聚乙烯垫片的接触面为球-球接触面，而全膝置换假体股骨元件与半月板聚乙烯垫片的接触面仍为相对的弧-弧/球-弧接触面，且全膝置换假体胫骨元件与半月板聚乙烯垫片接触面比单髁置换胫骨元件与半月板聚乙烯垫片接触面更大，更好分散应力。但在实际意义上，30°，60°膝关节屈曲度站立位人体实际应用较少，可以考虑二者在站立位并无实际意义。在模拟水平行走时，模拟0°，10°，30°，60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体5.45%，6.65%，6.67%，9.01%，可能与假体设计方面，全膝置换假体全膝置换假体胫骨元件与半月板聚乙烯垫片接触面比单髁置换胫骨元件与半月板聚乙烯垫片接触面更大、股骨元件与半月板聚乙烯垫片接触面的变化有关^[27-28]。从最大应力分布点方面来看，全膝置换最大应力分布于胫骨元件的中部，而单髁置换最大应力分布于胫骨元件后部^[29]，从生物力学角度及人体力线分布考虑，全膝置换的最大应力分布点在胫骨元件中部，可以更好的分散人体的垂直应力，有效减少垂直应力对胫骨的影响，进而可能减少对胫骨元件与截骨面的松动问题及半月板聚乙烯垫片的磨损问题^[30]。

本研究具有一定的局限性，在技术上计算机模拟垂直载荷时近似简化、网格划分无法一致，只能单纯反应关节假体应力分布的近似情况。假体设计、截骨位置、大小及骨量与实际手术仍有差距。力学计算上，有限元静态分析测验的数值可能与真正的测验数值偏移^[31]。生理学上，单髁置换保留了前、后交叉韧带、半月板等稳定装置，三维有限元无法模拟实际人体膝关节术后力学分布，与实际人体生物力学还有差异。然而本研究单纯从力学角度的模型分析上，可为单髁置换假体与全膝置换假体的基础力学研究方面提供参考。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

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