全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.004

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

全膝关节置换假体：主要有固定平台膝关节假体和旋转平台膝关节假体，固定平台膝关节假体容易导致聚乙烯衬垫的磨损；旋转平台膝关节假体的聚乙烯衬垫能够活动，能够减少聚乙烯衬垫的磨损。

有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。大型通用有限元商业软件：如ANSYS可以分析多学科的问题。例如：机械、电磁、热力学等；电机有限元分析软件NASTRAN等。还有三维结构设计方面的UG，CATIA，Proe等。

摘要

背景：目前有研究对全膝关节置换进行三维有限元分析，但关于全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积的研究不多。

目的：探讨全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。

方法：建立全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的三维有限元模型，比较全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。

结果与结论：全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小，全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值在屈膝0°-90°时均高于外侧接触压峰值(P < 0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝60°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触压峰值均高于旋转平台内外侧接触压峰值(P < 0.05)。全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-30°时均低于外侧接触面积(P < 0.05)，全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-90°时均低于外侧接触面积(P < 0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝30°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触面积均低于旋转平台内外侧接触面积(P < 0.05)。表明全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体内外侧聚乙烯衬垫内侧接触压峰值高于外侧接触压峰值，内侧接触面积低于外侧接触面积，旋转平台假体的内外侧接触压低于固定平台假体，旋转平台假体的内外侧接触面积高于固定平台假体。

ORCID: 0000-0003-3783-5629(武丽珠)

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: 骨科植入物, 人工假体, 全膝关节置换, 固定平台假体, 旋转平台假体, 聚乙烯衬垫, 接触压, 接触面积, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: There are studies on three-dimensional finite element analysis of total knee replacement, but few research concerns contact pressure and contact area inside and outside polyethylene liner of fixed prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement.

OBJECTIVE: To explore the contact pressure and contact area inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement.

METHODS: We established three-dimensional finite element models of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement and compared contact pressure and contact area inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement.

RESULTS AND CONCLUSION: The peak contact pressure inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement was minimum at 0° of genuflex. The peak contact pressure inside polyethylene liner was higher than that outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement at 0°-90° of genuflex (P < 0.05). The peak contact pressure inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis was higher than that of rotating platform prosthesis in total knee replacement at 60°-120° of genuflex (P < 0.05). The contact area inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement was maximum at 0° of genuflex. The contact area inside polyethylene liner of fixed platform prosthesis in total knee replacement was lower than that of outside at 0°-30° of genuflex (P < 0.05). The contact area inside polyethylene liner of fixed platform prosthesis in total knee replacement was lower than that of outside at 0°-90° of genuflex (P < 0.05). The contact area inside and outside polyethylene liner of fixed platform prosthesis was lower than that of rotating platform prosthesis in total knee replacement at 30°-120° of genuflex (P < 0.05). These results suggested that peak contact pressure inside polyethylene liner of fixed and rotating platform prostheses was higher than that outside in total knee replacement, and the inside contact area was lower than that of outside. Inside and outside contact pressure of the rotating platform prosthesis was lower than that of fixed platform prosthesis. Inside and outside contact area of the rotating platform prosthesis was higher than that of fixed platform prosthesis.

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, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张立超，张立敏，武丽珠. 全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(39): 5801-5806.

Zhang Li-chao, Zhang Li-min, Wu Li-zhu. Finite element analysis of fixed platform prosthesis and rotating platform prosthesis in total knee replacement[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(39): 5801-5806.

图/表（结果） 2

2.1 全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫的内外侧接触压峰值的差异 由表1得出，全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小，随着屈膝度数的增加，内外侧聚乙烯衬垫的接触压峰值不断增加，屈膝90°时最大。屈膝0°、30°、60°和90°时全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值高于外侧(P < 0.05)，屈膝120°时聚乙烯衬垫内和外侧侧接触压峰值接近(P > 0.05)。
由表1得出，全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小，随着屈膝度数的增加，内外侧聚乙烯衬垫的接触压峰值不断增加，屈膝90°时最大。屈膝0°，30°，60°和90°时全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值高于外侧接触压峰值(P < 0.05)，屈膝120°时聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值接近(P > 0.05)。
屈膝0°和30°时全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体内外侧聚乙烯衬垫接触压峰值接近(P > 0.05)，屈膝60°，90°和120°时全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压峰值均高于旋转平台(P < 0.05；表1)。

2.2 全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫的内外侧接触面积 由表2得出，全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。屈膝0°和30°时全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积低于外侧(P < 0.05)，屈膝60°，90°和120°时聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积接近(P > 0.05)。
由表2得出，全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。屈膝0°，30°，60°和90°时全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积低于外侧(P < 0.05)，屈膝120°时聚乙烯衬垫内侧接触面积和外侧接近( P > 0.05)。

屈膝0°时全膝关节置换固定平台假体内外侧聚乙烯衬垫接触面积和旋转平台假体接近(P > 0.05)，屈膝30°，60°，90°和120°时全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触面积低于旋转平台(P < 0.05；表2)。

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析。

1.2 时间及地点 实验于2014年5月至2015年8月在承德医学院附属医院实验室完成。

1.3 对象 男性健康志愿者1名，年龄46岁，身高 174 cm，体质量73 kg，无残疾和肢体外伤史，CT扫描和拍片检查下肢骨和膝关节没有异常。实验获得知情同意书。

1.4 材料 全膝关节置换固定平台假体和全膝关节置换旋转平台假体均有美国强生医疗器械有限公司提供。

1.5 方法

1.5.1 膝关节影像学资料的获得志愿者取仰卧位，以0.5 mm的层厚进行CT扫描，扫描范围为膝关节上11 cm至膝关节下11 cm。扫描膝关节图像数据以DICOM格式保存。

1.5.2 建立膝关节物理模型将志愿者的CT机扫描数据经软件处理获得膝关节骨骼轮廓曲线，采用CAD重建膝关节骨骼的三维实体模型，磁共振对志愿者同一膝关节相关软骨、肌腱、韧带、半月板等进行扫描，通过CAD软件重建膝关节骨骼及软骨、肌腱、韧带、半月板等软组织的三维模型。

1.5.3 建立膝关节骨骼的几何模型将CT机扫描的志愿者的膝关节数据通过Mimics 12.1软件(比利时 Materialise 公司)处理获得膝关节的骨骼曲线，对骨骼进行重建得到志愿者的膝关节髌骨、股骨和胫骨的三维实体模型。将膝关节伸直位、30°屈曲位、60°屈曲位、90°屈曲位和120°屈曲位进行扫描，通过Mimics软件进行处理得到不同位置的髌骨、股骨和胫骨的三维实体模型(图1)。

1.5.4 建立膝关节软组织和韧带模型磁共振(美国GE公司)对志愿者同一膝关节的软组织和韧带进行扫描，采用Mimics 12.1软件选取膝关节肌腱、髌腱、内外侧副韧带、前后交叉韧带、半月板等轮廓控制点，提取轮廓。得到膝关节软组织和韧带的三维实体模型。

1.5.5 建立膝关节骨骼和软组织及韧带模型将上述建立的膝关节骨骼三维实体模型和膝关节软组织和韧带的三维实体模型进行组装，建立膝关节骨骼和软组织及韧带的三维实体模型(图2)。

1.5.6 建立全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的三维有限元模型将建立的膝关节模型根据全膝关节置换进行模拟切骨，测量胫骨和股骨横断面的前后径，旋转合适的全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体，采用光学扫描仪(美国GE公司)对固定平台膝关节假体和旋转平台膝关节假体进行扫描，构建全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体(图3)。

1.5.7 建立全膝关节置换模型将建立的固定平台假体和旋转平台假体植入膝关节实体模型中构建全膝关节置换模型。

网络划分：将建立的全膝关节置换模型进行四面体网络划分。

膝关节材料赋值设置^[20]：股骨皮质骨的弹性模量为11 800 MPa，泊松比为0.39；胫骨皮质骨的弹性模量为6 800 MPa，泊松比为0.48；松质骨的弹性模量为 400 MPa，泊松比为0.28；软骨的弹性模量为6 MPa，泊松比为0.46；半月板的弹性模量为58 MPa，泊松比为0.48；前交叉韧带的弹性模量为115 MPa，泊松比为0.28；后交叉韧带的弹性模量为86 MPa，泊松比为0.28；内外侧副韧带的弹性模量为46 MPa，泊松比为0.28；髌腱的弹性模量为115 MPa，泊松比为0.42；聚乙烯衬垫的弹性模量为1 900 MPa，泊松比为0.42；钴铬钼合金的弹性模量为225 000 MPa，泊松比为0.30。

边界和载荷的施加设置：将胫骨远端设置为完全约束，对股骨近端施加300 N垂直向下的力，对股四头肌向上施加800 N的拉力。

1.6 主要观察指标 全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。采用非接触式的光学扫描仪进行三维数据测量。

1.7 统计学分析 数据以x(_)±s表示采用SPSS 11.0件进行分析。两两比较采用t 检验，P=0.05为显著标准。

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讨论

人体下肢的主要关节为膝关节，膝关节运动量比较大，负重比较多，膝关节是下肢活动的枢纽，膝关节是人体最为复杂的关节，由髌骨、股骨、胫骨、腓骨和周围软组织和韧带组成，膝关节属于滑膜关节，具有关节囊、关节面和关节腔等滑膜关节结构，同时也具有韧带、半月板、滑囊、软骨等辅助结构^[21]，由于膝关节结构比较复杂，运动量比较大，因此膝关节发生损失的概率较其他关节大。

膝关节炎是一种比较常见的膝关节疾病，对于晚期膝关节炎，进行全膝关节置换是一种比较理想的治疗方法^[22-24]，人工膝关节置换能够减轻膝关节炎患者的关节疼痛，恢复膝关节的力线，恢复膝关节的功能等^[25-26]，但全膝关节置换后有发生膝关节功能性失败，膝关节假体的脱位或者假体松动，以及膝关节假体过度磨损等风险^[27]。引起全膝关节置换失败的原因主要有病理方面、手术操作以及假体方面因素。

目前全膝关节置换假体主要有固定平台膝关节假体和旋转平台膝关节假体。固定平台假体的胫骨平台不是高抛光面^[28]，在膝关节运动过程中，胫骨平台和聚乙烯衬垫之间会发生轻微活动，引起聚乙烯衬垫的磨损，聚乙烯衬垫和股骨假体之间的多方向运动，局部应力比较高^[29]；旋转平台假体的聚乙烯端能够在胫骨假体上活动，胫骨平台是高抛光面，能够降低聚乙烯衬垫的磨损^[30]。全膝关节置换固定平台假体失败的原因主要为聚乙烯衬垫磨损和假体的松动，固定平台的高匹配度能够减少关节接触压，在膝关节骨和假体界面产生的高应力能够引起假体的松动，而固定平台的低匹配度假体能够降低膝关节骨和假体界面的应力，降低假体松动，但是膝关节的接触压比较高，增加聚乙烯衬垫的磨损，自由旋转和低关节接触压之间的矛盾是固定平台假体无法解决的问题。旋转平台假体的高匹配度能够减少膝关节骨和假体界面的应力，减少接触压，从而降低聚乙烯衬垫的磨损，并且旋转平台假体能够自由旋转，可以减少假体松动，能够弥补固定平台假体的不足^[31]。

人体的生物力学研究是以解剖学、生理学以及力学等为理论基础，膝关节生物力学研究近年来备受关注，随着计算机技术以及力学的不断发展，对膝关节进行三维有限元分析是膝关节生物力学研究的主要方法。全膝关节置换旋转平台假体虽然在理论上由于固定平台假体，在生物力学方面，旋转平台假体是否较固定平台假体更具优势？实验通过三维有限元法对全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体进行比较，结果发现全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小，随着屈膝度数的增加，内外侧聚乙烯衬垫的接触压峰值不断增加，内侧接触压峰值以屈膝90°时最大，屈膝120°时较屈膝90°时稍有降低，外侧接触压峰值在屈膝90°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值在屈膝0°，30°，60°和90°时均高于外侧接触压峰值，全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小，随着屈膝度数的增加，内外侧聚乙烯衬垫的接触压峰值不断增加，内侧接触压峰值以屈膝90°时最大，屈膝120°时较屈膝90°时稍有降低，外侧接触压峰值在屈膝90°时最大。全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值在屈膝0°，30°，60°和90°时均高于外侧接触压峰值，全膝关节置换固定平台假体在屈膝60°，90°和120°时聚乙烯衬垫内外侧接触压峰值均高于旋转平台内外侧接触压峰值。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°和30°时均低于外侧接触面积，全膝关节置换旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°，30°，60°和90°时均低于外侧接触面积，全膝关节置换固定平台假体在屈膝30°，60°，90°和120°时聚乙烯衬垫内外侧接触面积均低于旋转平台内外侧接触面积。由此可见，全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体内外侧聚乙烯衬垫接触压峰值在屈膝0°时最小，接触面积在屈膝0°时最大，内侧接触压峰值高于外侧接触压峰值，内侧接触面积低于外侧接触面积，旋转平台假体的内外侧接触压低于固定平台假体，旋转平台假体的内外侧接触面积高于固定平台假体。由于实验和临床中，所设定的变量和采取的试验方法不同，且同一类假体中不同产品的临床效果也不同，故难以确定固定平台假体和旋转平台假体哪个更优越。

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