全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析

doi:10.12307/2022.164

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (6): 848-852.doi: 10.12307/2022.164

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全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析

黄浩，洪嵩，瓦庆德

遵义医科大学附属医院，贵州省遵义市 563000

收稿日期:2021-05-06 修回日期:2021-05-11 接受日期:2021-05-15 出版日期:2022-02-28 发布日期:2021-12-07
通讯作者: 洪嵩，主任医师，遵义医科大学附属医院，贵州省遵义市 563000
作者简介:黄浩，男，1995年生，四川省宜宾市人，汉族，遵义医科大学在读硕士，主要从事骨关节方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81660362)，项目负责人：瓦庆德

Finite element analysis of the effect of femoral component rotation on patellofemoral joint contact pressure in total knee arthroplasty

Huang Hao, Hong Song, Wa Qingde

Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China

Received:2021-05-06 Revised:2021-05-11 Accepted:2021-05-15 Online:2022-02-28 Published:2021-12-07
Contact: Hong Song, Chief physician, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China
About author:Huang Hao, Master candidate, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81660362 (to WQD)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
峰值接触压：是指局部接触区域内接触压的最高值，峰值接触压的长期增高会导致假体磨损及膝前疼痛的发生。相比平均接触压，峰值接触压更能反映在屈膝过程中髌股关节接触压的变化。
有限元分析：是一种数值计算技术，在应用有限元法求解任意连续体时，需要把连续的求解区域划分成有限数量的单元，每个单元上包含有限数目的节点，通过设置一个函数近似地表示应力、位移等分布规律，并利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元节点的力学特性关系，通过矩阵方程运算求出应力等结果。

背景：髌股关节并发症是全膝关节置换后的常见并发症，置换中股骨假体旋转不良会影响髌股关节的一致性，引起髌股关节接触力及运动学的改变。
目的：通过有限元分析方法，研究全膝关节置换中当股骨假体在不同旋转角度放置时屈膝过程中的髌股关节接触压变化。
方法：根据志愿者右膝关节的CT、MRI数据，建立自然膝关节的三维模型。模拟全膝关节置换过程，股骨假体参照股骨外科上髁轴线(股骨内侧髁沟与股骨外侧髁最凸起点之间的连线)以3°为增量，从内旋6°至外旋9°安装(外旋3°、6°、9°，旋转0°，内旋3°、6°)，而胫骨假体参考Akagi线(髌腱内侧缘与后交叉韧带止点中央的连线)旋转0°固定放置，建立全膝关节置换膝关节三维模型。将膝关节的三维模型进行网格划分，得到膝关节的有限元模型，并通过计算提取，获得各膝关节模型在屈膝过程中的髌股关节接触压。
结果与结论：①所有模型的髌股关节接触压均随着膝关节屈曲加深而增高。股骨假体外旋3°组的髌股关节接触压均低于旋转0°组，当外旋大于3°时，随着假体外旋度数增加，髌股关节接触压增大。股骨假体内旋3°组和内旋6°组在屈膝过程中的髌股关节接触压明显高于其他组，且内旋6°组的接触压最高。②结果表明在全膝关节置换术中，当以上髁轴为股骨假体旋转的参考轴线时，外旋3°有可能减少髌股关节接触压，而过度的外旋股骨假体则可能导致髌股关节接触压的增大；置换中应避免股骨假体内旋，大于3°的内旋不良可能会导致髌股关节接触压明显增大，增加置换后膝前疼痛以及假体磨损的风险。

https://orcid.org/0000-0002-5417-2954 (黄浩)

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: 膝关节, 髌股关节, 全膝关节置换, 有限元, 股骨假体, 旋转对线, 接触压, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Patellofemoral joint complications are common after total knee arthroplasty. Rotational malalignment of the femoral component will affect the consistency of the patellofemoral joint, thus causing the changes of contact pressure and kinematics of the patellofemoral joint.
OBJECTIVE: To study the changes of patellofemoral joint contact pressure during knee flexion when femoral component was placed at different rotation angles by means of finite element analysis.
METHODS: The three-dimensional models of the knee joint were developed according to the CT and MRI scanning data of right knee of the volunteer. The femoral component was placed from 6° internal rotation to 9° external rotation (external rotation 3°, 6°, 9°, rotation 0°, internal rotation 3°, 6°) relative to the surgical transepicondylar axis (the line between the medial femoral condyle groove and the most prominent point of the lateral femoral condyle) in 3° increments, while tibial component was 0° rotated relative to the Akagi (the line between the medial edge of the patellar tendon and the center of the posterior cruciate ligament) during the total knee arthroplasty. The finite element models of the knee were established by meshing the three-dimensional models. The patellofemoral joint contact pressure of each knee joint model was obtained during the flexion.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The patellofemoral joint contact pressure increased in all groups during the knee flexion. The contact pressure in the group of 3° external rotation femoral component was lower than that of 0° rotation group. The contact pressure of patellofemoral joint increased with the increase of external rotation degree of component when the degree of femoral component external rotation was greater than 3°. The contact pressures in the group of 3° internal rotation of femoral component and the group of 6° internal rotation were significantly higher than those of the other groups, and the highest was in the 6° internal group. (2) Results showed that during the total knee arthroplasty, 3° external rotation of femoral component relative to surgical transepicondylar axis may reduce the patellofemoral joint contact pressure, while excessive external rotation femoral component may lead to the increase of patellofemoral joint contact pressure. The internal rotation of femoral component should be avoided during the total knee arthroplasty. The imbalance of greater than 3° internal rotation may lead to the increase of patellofemoral joint contact pressure and increase the risk of prosthesis wear and knee pain.

Key words: knee, patellofemoral joint, total knee arthroplasty, finite element, femoral component, rotational alignment, contact pressure, biomechanics

中图分类号:

黄浩, 洪嵩, 瓦庆德. 全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 848-852.

Huang Hao, Hong Song, Wa Qingde. Finite element analysis of the effect of femoral component rotation on patellofemoral joint contact pressure in total knee arthroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(6): 848-852.

图/表（结果） 3

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引言

全膝关节置换是一种治疗膝关节终末期病变的有效方法，其通过置换的方式将患者病变的关节负重面替换为人工膝关节假体，以实现缓解膝关节疼痛及改善膝关节功能的目的。然而，置换后髌股关节并发症的发生是患者预后不良的重要原因，目前临床上常见的髌股关节并发症主要有膝前疼痛、髌股关节不稳及假体的磨损和松动等[1]，尽管近年来置换后髌股关节并发症有所减少，但目前仍约占全膝关节置换术后并发症的10% [2]，这些并发症的发生除了与患者术前膝关节病变情况及假体设计有关外，还与置换技术有着重要的关系[3]，而置换中股骨假体的旋转对线是决定髌股关节运动力学的关键技术之一[4]。在全膝关节置换过程中，由于股骨假体旋转对膝关节运动及关节接触力的影响尚未完全明确，所以关于置换中假体的最佳旋转量仍具争议。DONELL[5]曾提出股骨假体相对于股骨后髁线的旋转对线对全膝关节置换后髌骨轨迹的影响较为重要，在不影响胫股关节运动的前提下，股骨假体外旋的度数越大，置换后出现髌骨运动轨迹不良的风险就越低。而VICTOR[6]则认为过度外旋股骨假体可能会影响髌股关节的稳定性。MURAKAMI等[7]、BELL等[8]在研究中通过使用MRI或CT测量分析患者置换后股骨假体的旋转角度，发现股骨假体相对股骨上髁轴的内旋是全膝关节置换后膝关节疼痛的一个重要影响因素。置换过程中股骨假体的旋转不良可能会影响髌股关节的一致性，从而引起髌股关节运动及关节负荷的改变，而目前普遍认为关节表面负荷增加是膝关节疼痛发生及发展的原因[9]。置换后髌股关节接触压的升高，会增加患者膝前疼痛和假体磨损置换的风险[10]。因此，量化股骨假体旋转对髌股关节接触压的影响具有重要意义，能为置换过程中股骨假体的旋转安装提供理论支持，在维持髌骨轨迹良好和屈伸间隙软组织平衡的前提下，通过适当旋转股骨假体以降低髌股关节的接触压。
有限元分析是一种数值计算技术，能够对复杂的几何形状和载荷系统进行建模，在静态、动态和非线性等领域提供不同的分析[11]。随着数值计算技术的发展，基于有限元方法的计算机模型分析已经成为研究膝关节生物力学的一种实用方法[12]。有限元模型常用于描述日常活动中体内接触压力、面积等的变化[13]。许多研究通过建立特定的全膝关节置换膝关节有限元模型进行仿真分析，并与相同条件下的尸体研究结果进行对比，验证了有限元模型的有效性[12-14]。实验借助有限元分析方法，建立股骨假体在不同旋转角度放置的全膝关节置换后膝关节模型，研究了模型在屈膝过程中髌股关节接触压的变化，期待为术中股骨假体的旋转对线及髌股关节的生物力学研究提供理论支持。
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 设计利用有限元分析股骨假体在不同旋转角度放置下对膝关节屈膝过程中髌股关节接触压的影响。
1.2 时间及地点实验于2018年11月至2020年12月在遵义医科大学附属医院完成。
1.3 材料
1.3.1 膝关节假体由北京爱康宜诚医疗器械有限公司生产的A3高屈曲后稳定型膝关节假体，包括股骨髁假体、聚乙烯垫及胫骨平台假体，见表1。

1.3.2 主要设备电子计算机断层扫描设备(Computed Tomography，CT)：SIEMENS128排双源螺旋CT；MRI成像设备(Magnetic Resonance Imaging)：GE1.5T超导型磁共振机；计算机配置：DELLT7600工作站；CPU：至强E5-2670双核(16核32线程)，2.6 GHz；显卡：丽台Q2000显卡(1 G显存)；内存：64 G DDR3；硬盘：2 T。
1.3.3 主要软件 Mimics软件，是由MATERIALISE公司开发的一种医学影像控制系统，其工作原理是根据各组织成像的灰度值不同，将CT或MRI的扫描数据构建成初步的三维模型，并且按照一定的格式导出，能够与有限元等相关软件对接，方便下一步模型建立与分析。其他软件：Imageware、Geomagic studio、Pro/E、Abaqus等软件。
1.4 方法选择1名身体健康的男性志愿者，年龄24岁，身高170 cm，体质量60 kg。通过询问病史、体格检查，并行双侧膝关节CT和MRI检查，排除了膝关节畸形、膝关节外伤、肿瘤等其他膝关节疾病。还通过志愿者的双下肢全长X射线片检查，排除了髋关节与踝关节的畸形。志愿者对整个实验方案知情同意，并签署了“知情同意书”。
1.4.1 膝关节三维模型的建立
影像学数据的获取：分别使用螺旋CT机、磁共振机对志愿者膝关节进行扫描，扫描体位为膝关节自然伸直位，扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10 cm。CT 图像主要用于观察骨组织，MRI图像主要用于观察软骨及韧带组织，层厚1.0 mm。实验选取志愿者右侧膝关节数据，构建有限元模型。
膝关节的软组织及骨组织的模型构建：骨组织建模采用以下技术路线，首先将影像学数据导入Mimics，并在Mimics中提取出初步的骨组织模型，以STL文件格式导出。接下来在 Imageware中进行修补、降噪及曲面化等处理，导出STP格式，最后在Pro/E中组装模型；韧带、肌腱等软组织的模型建立与骨组织建模的流程相同，最后将完整的骨组织与软组织的三维模型整体以IGES格式导出，以便后续在Abaqus中进行有限元网格处理。
1.4.2 全膝关节置换后膝关节三维模型的建立膝关节假体的三维模型建立基本流程为通过激光扫描假体三维模型，获取表面点云数据，并导入Imageware进行模型的修补、降噪、曲面化等流程，以便于后续进行假体的装配。
在已建立的膝关节三维模型上模拟全膝关节置换，手术不保留前后交叉韧带，髌骨未行表面置换，分别垂直于股骨和胫骨的机械轴进行股骨远端和胫骨近端截骨，截骨厚度约为10 mm。根据股骨横断面的前后径以及胫骨截骨面的大小，选择型号合适的膝关节假体。在植入假体时，参照全膝关节置换手术原则，股骨假体以股骨外科上髁轴(是指股骨内侧髁沟与股骨外侧髁最凸起点之间的连线)为旋转的参考轴线，胫骨假体的旋转参照Akagi线(是髌腱内侧缘与后交叉韧带止点中央的连线)，将假体模型安装在膝关节的三维模型上。在安装过程中，胫骨假体参考Akagi线旋转0°放置，且胫骨假体的位置保持不变，将股骨假体相对于股骨外科上髁轴线旋转0°、外旋3°、外旋6°、外旋9°、内旋3°、内旋6°安装，得到了 6个不同的全膝关节置换术后膝关节三维模型。
1.4.3 有限元计算网格模型的建立将得到的膝关节三维模型导入Abaqus，进行自适应网格划分，生成形状、特性较好的元素，实验对膝关节采用高阶的4面体10节点的网格模型。
1.4.4 材料参数以及载荷工况
材料参数：目前关于生物力学的有限元仿真分析通常是建立在均质连续、各向同性的线弹性体的假设前提下。骨组织属于各向同性、均质弹性的材料模型，而韧带等属于非线性超弹性材料模型，在软件中对骨组织、韧带、假体等材料进行参数赋值，见表2。

载荷工况：实验在股四头肌上加载一方向平行于股骨干，并指向于股四头肌起点，大小为400 N的拉力。同时在股骨上方沿膝关节力线加载300 N重力载荷，始终保持垂直向下，模拟自身体质量一半的载荷。设定在胫骨腓骨上不施加主动运动，而股骨、髌骨自由运动，使膝关节在0°-120°屈膝，模拟人体的下蹲动作。在屈膝载荷条件下，定义了可能接触的表面接触区域，接触定义采用罚函数法。通过 Abaqus等有限元软件在计算机上自动进行计算，最后提取关注部位的单元或节点的计算结果，并截图、数据输出。
1.5 主要观察指标各组全膝关节置换后膝关节三维模型的髌股关节峰值接触压。

讨论

全膝关节置换的主要目的是减轻膝关节疼痛，恢复关节的力线对齐，实现膝关节的稳定性[11]，而假体错位会引起磨损增加，导致患者置换后不满意，严重时需要翻修来改善[15]。假体旋转不良可导致髌骨轨迹、膝关节稳定性和生物力学改变，可能会引起置换后疼痛的发生[16]。在全膝关节置换过程中，股骨假体的旋转对线具有重要意义，目前在置换过程中确定股骨假体旋转的轴线和方法有：股骨上髁轴股骨后髁线、Whiteside线及间隙平衡术[17]。股骨上髁轴也称通髁线，被定义为连接股骨内上髁和外上髁的轴线，是目前研究股骨假体旋转常用的参考轴线，该轴线是屈膝过程中股骨远端旋转的中心轴，而且受关节炎侵蚀的影响较小，缺点是在置换中不易辨识。股骨上髁轴通常又分为解剖上髁轴和外科上髁轴，解剖上髁轴是指股骨内侧髁最凸起点和外侧髁最凸起点之间的连线，而外科上髁轴是指内侧髁沟和外侧髁最凸起点之间的连线[18]。股骨后髁线是股骨后髁后侧突出点的连线，术中比较容易识别[19]。目前的研究发现，股骨上髁线与股骨后髁线之间的夹角并不固定[20]。Whiteside线是股骨滑车最低点与髁间窝中点的连线，与股骨上髁轴基本保持垂直[21]。股骨后髁线和Whiteside线受股骨解剖变异的影响较大，对于股骨髁先天发育不良及因疾患导致的膝关节翻畸形患者，由于股骨髁外形发生改变，这两种参考轴线的可靠性将受到影
响[22]。间隙平衡技术没有特定的骨标志，是在保持适当的韧带张力下，通过截骨获得一个矩形的屈伸间隙以此确定股骨的旋转，同时实现膝关节屈曲与伸直间隙的平衡[23]。因此，实验选取外科上髁轴线作为股骨假体旋转的参考轴线，而胫骨假体的旋转参考Akagi线中立位放置，且胫骨假体的位置保持不变。Akagi线是截骨平面上髌腱内侧缘与后交叉韧带止点中央的连线，受解剖变异的影响较小，且与股骨上髁线的垂线基本平行，是胫骨假体旋转对线的常用参考轴线[24]。
在膝关节的屈曲过程中发现，相对于0°旋转的模型，当股骨假体内旋3°和6°放置时会引起髌股关节接触压明显升高；而将股骨假体外旋3°放置时，可减少髌股关节接触压，但大于3°的外旋则会导致髌股关节接触压的升高。关于股骨假体的内旋，有研究发现在全膝关节置换术中股骨假体的内旋失调与前膝疼痛、膝关节不稳定和僵硬有关[25]，PIETSCH等[26]还将股骨假体内旋失调分为3个程度：3°-4°为轻度、4°-6°为中度及大于6°为重度。其中，全膝关节置换术后股骨假体内旋在4°及以上的疼痛患者，通过早期的膝关节翻修能够有效改善疼痛症状[27]。内部旋转的股骨假体收紧了内侧屈曲间隙，导致屈曲间隙不平衡[28]。股骨假体的过度内旋还会增加髌股关节接触应力[29]，这也是全膝关节置换术后膝关节疼痛、假体磨损的重要危险因素。实验发现，即使是3°的股骨假体内旋也会使得屈膝过程中髌股关节接触压升高，而股骨假体内旋6°组的髌股关节接触压更是明显高于其他组，而且在屈膝90°及以上时髌股关节接触压增高更为明显，这也与目前的多数研究结果相符合。此次实验还发现，股骨假体的过度外旋可能会导致髌股关节接触力的增高，特别是当外旋大于3°时，随着假体外旋度数增加，膝关节在屈曲过程中的接触应力出现升高。过去的观点认为，将股骨假体参考股骨上髁轴外旋2°-5°可以改善髌骨运动轨迹，减少髌股关节并发症的发生[30]。然而，以过度外旋股骨假体来改善髌骨运动轨迹是不明智的，在自然膝关节中，髌骨在屈膝过程中沿着股骨滑车沟槽运动，起到传递力和维持膝关节稳定的作用，而股骨假体的旋转不良可能会影响髌股关节的一致性，进而引起髌股关节运动及接触力的改变。此外也有研究报道，股骨假体的外旋还会引起胫股关节的接触力增大，过度外旋的股骨假体还会增加内侧屈曲间隙，导致术后膝关节的屈曲不稳定[31]。根据实验结果来看，股骨假体的内旋及3°以上的外旋都会使髌股关节接触压增高，可能的原因是股骨假体的旋转不良会导致屈伸间隙失衡及髌骨轨迹不良，从而引起韧带张力增加及关节运动改变，导致髌股关节接触压的增高。
综上所述，全膝关节置换后膝前疼痛及假体磨损的出现会影响预后，严重时需要行膝关节翻修以改善相应的症状。在全膝关节置换中，当以股骨上髁轴为股骨假体旋转的参考轴线时，外旋3°可能会减少髌股关节接触压，而过度的外旋股骨假体则可能导致髌股关节接触压的增大；同时置换过程中应避免股骨假体内旋，大于3°的内旋不良可能会导致髌股关节接触压明显增大，增加置换后膝前疼痛以及假体磨损的风险。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

全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析

Finite element analysis of the effect of femoral component rotation on patellofemoral joint contact pressure in total knee arthroplasty

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