文章亮點(diǎn)：

1文章基于膝關(guān)節(jié)CT和MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)，利用影像學(xué)重建及有限元前處理技術(shù)，構(gòu)建了包含膝關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)，且具有不同脛骨后傾角度的單髁膝關(guān)節(jié)置換有限元模型，建模技術(shù)先進(jìn)，所建模型新穎。

2文章在相同邊界條件和載荷情況下，對(duì)不同脛骨假體后傾角度的單髁置換有限元模型進(jìn)行加載分析，發(fā)現(xiàn)了脛骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨應(yīng)力及內(nèi)外側(cè)間室載荷分布的規(guī)律變化。

3文章所得有限元結(jié)果與相關(guān)臨床研究結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性，對(duì)于指導(dǎo)術(shù)中合理選擇后傾角度具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：骨科植入物；人工假體；單髁膝關(guān)節(jié)置換；活動(dòng)平臺(tái)；脛骨后傾；脛骨前傾；骨應(yīng)力；接觸應(yīng)力；有限元分析

主題詞：關(guān)節(jié)成形術(shù)；置換；膝；有限元分析；應(yīng)力；物理；生物力學(xué)；組織工程

縮略語(yǔ)：?jiǎn)西料リP(guān)節(jié)置換；unicompartmental knee arthroplasty；UKA

摘要

背景：目前單髁膝關(guān)節(jié)置換中脛骨假體后傾角度的選擇存在較多爭(zhēng)議，相關(guān)的生物力學(xué)研究較少。目的：通過(guò)有限元分析結(jié)果尋求活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換中合理脛骨后傾的角度。

方法：運(yùn)用三維重建技術(shù)及有限元前處理技術(shù)建立正常膝關(guān)節(jié)有限元模型，并進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上建立不同脛骨假體后傾角度的單髁膝關(guān)節(jié)置換有限元模型，統(tǒng)一邊界條件和載荷，行有限元分析。

結(jié)果與結(jié)論：成功建立了不同脛骨后傾角度的單髁膝關(guān)節(jié)置換有限元模型，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)增大脛骨假體后傾可使脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)及松質(zhì)骨應(yīng)力逐漸增加，且增大了外側(cè)間室載荷和軟骨接觸應(yīng)力，而脛骨前傾使脛骨前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力明顯增加。推薦活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換中選擇0°-7°脛骨假體后傾。

引言 Introduction

單髁膝關(guān)節(jié)置換(unicompartmentalkneearthroplasty，UKA)近年來(lái)在治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎方面得到復(fù)蘇并快速發(fā)展，與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)相比，UKA具有手術(shù)創(chuàng)傷小、失血少、術(shù)后康復(fù)快等優(yōu)勢(shì)，并能獲得更大的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度

【1】。由于假體設(shè)計(jì)、手術(shù)器械的改進(jìn)及更嚴(yán)格的手術(shù)適應(yīng)征選擇，單髁膝關(guān)節(jié)假體10年的生存率可達(dá)到95％以上

【2】。然而與全膝關(guān)節(jié)置換相比，UKA對(duì)手術(shù)技術(shù)要求更高，學(xué)習(xí)曲線(xiàn)較長(zhǎng)。假體安放角度及下肢力線(xiàn)重建的準(zhǔn)確性是影響單髁關(guān)節(jié)長(zhǎng)期生存率的重要因素

【4】。脛骨假體的后傾角度是單髁膝關(guān)節(jié)置換的一項(xiàng)重要手術(shù)參數(shù)，如何在UKA中選擇合理的后傾角度目前仍存在較多爭(zhēng)議，且成為困擾術(shù)者的一項(xiàng)難題。過(guò)度的后傾易引起異常的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)改變和脛骨假體早期松動(dòng)，增加前交叉韌帶斷裂和假體周?chē)钦鄣娘L(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致術(shù)后翻修率的明顯增高【5-8】。

有限元分析是關(guān)節(jié)假體置換后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變的重要工具，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科的各個(gè)研究領(lǐng)域。然而目前國(guó)外有關(guān)UKA的有限元研究較少，關(guān)于脛骨假體后傾的研究則更為有限，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究。本研究擬通過(guò)使用影像學(xué)重建及有限元前后處理技術(shù)，以牛津單髁膝關(guān)節(jié)假體為基礎(chǔ)，建立UKA后不同脛骨后傾角度的三維有限元模型，對(duì)不同脛骨假體后傾對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的改變進(jìn)行分析，以期為術(shù)中合理選擇脛骨假體后傾角度提供參考。

有限元分析是關(guān)節(jié)假體置換后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變的重要工具，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科的各個(gè)研究領(lǐng)域。然而目前國(guó)外有關(guān)UKA的有限元研究較少，關(guān)于脛骨假體后傾的研究則更為有限，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究。本研究擬通過(guò)使用影像學(xué)重建及有限元前后處理技術(shù)，以牛津單髁膝關(guān)節(jié)假體為基礎(chǔ)，建立UKA后不同脛骨后傾角度的三維有限元模型，對(duì)不同脛骨假體后傾對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的改變進(jìn)行分析，以期為術(shù)中合理選擇脛骨假體后傾角度提供參考。

1材料和方法Materialsandmethods

1．1設(shè)計(jì)三維有限元模型建立及分析。

1．2時(shí)間及地點(diǎn)于2015年1至3月在中日友好醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科實(shí)驗(yàn)室完成。

1．3材料

影像學(xué)資料獲取：選取一健康男性志愿者，年齡40歲，身高175cm，左膝關(guān)節(jié)無(wú)退行性變及外傷史，簽署影像學(xué)檢查知情同意書(shū)。

使用320排螺旋CT(TOSHIBAAquilion，中日友好醫(yī)院)行左膝關(guān)節(jié)CT平掃，掃描參數(shù)為：掃描電壓120kV，掃描電流150mA，層厚1mm；使用3．0T磁共振掃描儀(GEDISC：OVERYMR750，中日友好醫(yī)院)行左膝關(guān)節(jié)矢狀位MRI平掃，使用3D．TSE序列：掃描范圍：膝上10cm，膝下10cm，TR／TE=I300ms／36ms，層厚1mm。CT~I：IMRI掃描數(shù)據(jù)均保存為Dicom格式，以光盤(pán)形式儲(chǔ)存。

硬件配置：DELLT7600圖形工作站(CPU：E52620X2，內(nèi)存：32G，顯卡：NVIDIAK20002G)。

工具軟件:Mimics13.1圖像分割處理軟件,Rapidform2006逆向工程軟件,Abaqus6.10有限元分析軟件?

1.4方法

正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立:將C'弋及MRI數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Mimics13.1軟件,進(jìn)行圖像配準(zhǔn),通過(guò)閾值分割工具及區(qū)域增長(zhǎng)工具提取皮質(zhì)骨?松質(zhì)骨?半月板?前后交叉韌帶及內(nèi)外側(cè)副韌帶等結(jié)構(gòu)的蒙板,行三維重建,之后通過(guò)光順?減少三角面片及網(wǎng)格優(yōu)化模塊修正三維模型,生成各結(jié)構(gòu)的stI格式數(shù)據(jù)利用Rapidform2006軟件對(duì)各stl格式數(shù)據(jù)行去噪?光滑等處理,構(gòu)造曲面并行曲面擬合,生成各結(jié)構(gòu)iges格式數(shù)據(jù)并保存?將膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的iges數(shù)據(jù)導(dǎo).Abaqus6.10軟件,行各結(jié)構(gòu)裝配?由MRI平掃數(shù)據(jù)獲取股骨及脛骨平均軟骨厚度2mm,采用Abaqus網(wǎng)格生成模塊于股骨及脛骨平臺(tái)表面生成股骨及脛骨軟骨網(wǎng)格,建立正常膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型?于Abaqus中行有限元前處理,股骨?脛骨及腓骨采用十節(jié)點(diǎn)修正四面體單元?jiǎng)澐?余結(jié)構(gòu)采用六面體單元?jiǎng)澐?皮質(zhì)骨?松質(zhì)骨?軟骨和半月板均認(rèn)為是各向同性線(xiàn)彈性材料【9-12】?韌帶認(rèn)為是橫觀各向同性超彈性材料,使用基本的Neo.Hookean模型,其本構(gòu)方程為=C?(1?-3),C?為初始剪切模量,l?為Cauchy.Green應(yīng)變張量第一修正不變量,前后交叉韌帶和內(nèi)外側(cè)副韌帶的C值分別為5.83,6.06,6.43,6.06MPa[13-14]?各結(jié)構(gòu)的其他材料參數(shù)均參考既往文獻(xiàn)【15-18】】,見(jiàn)表1?

正常膝關(guān)節(jié)有限元模型的驗(yàn)證:內(nèi)外側(cè)間室股骨軟骨與脛骨軟骨間?股骨軟骨與半月板上表面?脛骨軟骨與半月板下表面間共設(shè)置6個(gè)接觸對(duì)【19】?接觸對(duì)均采用無(wú)摩擦?有限滑移的表面一表面接觸,采用罰函數(shù)算法【21】?參考既往文獻(xiàn)【15】,行股骨軸向載荷力下模型驗(yàn)證,股骨只約束屈伸方向的自由度,其他方向自由度不做約束,脛骨及腓骨下表面完全固定;軟骨及韌帶與骨之間設(shè)置為綁定,半月板前后角綁定于脛骨平臺(tái)上【23】?股骨內(nèi)外上髁中點(diǎn)設(shè)置為股骨參考點(diǎn),于該點(diǎn)施加一垂直向下的載荷,大小為1000N,計(jì)算內(nèi)外側(cè)間室載荷分布?接觸應(yīng)力及接觸面積,與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比以驗(yàn)證模型?參考既往文獻(xiàn),行脛骨前抽屜作用力下模型驗(yàn)證,以脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)髁中點(diǎn)為脛骨參考點(diǎn),脛骨和腓骨耦合約束,僅限制屈伸方向自由度,而股骨完全約束6個(gè)方向自由度,對(duì)脛骨參考點(diǎn)施加一前向134N的作用力,模擬前抽屜試驗(yàn),對(duì)脛骨的位移和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算,與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)照以驗(yàn)證模型?

不同脛骨假體后傾角受UKA三維有限元模型建立：由Biomet公司提供Oxford第3代股骨假體、脛骨假體及半月板襯墊的iges格式三維模型數(shù)據(jù)。由正常膝關(guān)節(jié)模型確定股骨及脛骨假體大小，將相應(yīng)型號(hào)的假體數(shù)據(jù)導(dǎo)7．Abaqus中。在上一步所建立正常膝關(guān)節(jié)基礎(chǔ)上，按照Oxford第3代UKA標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)技術(shù)，利用布爾操作，于前交叉韌帶止點(diǎn)稍?xún)?nèi)側(cè)、股骨內(nèi)側(cè)髁外側(cè)面模擬且仝骨垂直截骨，以脛骨長(zhǎng)軸為參考，行后傾7。脛骨水平截骨，截骨厚度約為7mm。再行股骨內(nèi)側(cè)髁后髁及遠(yuǎn)端截骨，完成脛骨及股骨假體組裝，并植入半月板襯墊；去除內(nèi)側(cè)半月板、內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨，并利用網(wǎng)格編輯操作去除部分內(nèi)側(cè)間室股骨軟骨，而保留外側(cè)半月板及外側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨，并保留各韌帶結(jié)構(gòu)，建立脛骨假體后傾7。的UKA三維模型。在7。后傾模型基礎(chǔ)上，通過(guò)脛骨假體的旋轉(zhuǎn)及布爾操作，分別建立0°，3°，5°，9°，11°脛骨后傾及2°脛骨前傾的UKA三維模型。股骨假體、脛骨假體及半月板襯墊均為各向同性的線(xiàn)彈性材料，采用六面體網(wǎng)格劃分。余結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及賦值均同止常膝關(guān)節(jié)模型，見(jiàn)表1。

UKA三維模型有限元分析:每個(gè)模型均設(shè)定5個(gè)接觸對(duì):外側(cè)間室軟骨與軟骨?軟骨與半月板之間共3個(gè);內(nèi)側(cè)間審假體與襯墊之間共2個(gè)?外側(cè)接觸為無(wú)摩擦接觸,內(nèi)側(cè)接觸為帶庫(kù)倫摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.07【28】,均采用罰函數(shù)算法?

參考既往文獻(xiàn),所有股骨除垂直方向?前后移方向及內(nèi)外翻方向自由度不約束外,其他方向自由度均約束;脛骨及腓骨下表面完全固定;股骨及脛骨假體與骨結(jié)構(gòu)設(shè)置為綁定【29],半月板襯墊自由度不做約束以模擬活動(dòng)襯墊【27】?于股骨參考點(diǎn)施加1000N垂直向下的軸向載荷。

1.5主要觀察指標(biāo)

各UKA模型中脛骨皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨VonMises應(yīng)力,內(nèi)外側(cè)間室載荷分布比,股骨?脛骨假體及襯墊接觸應(yīng)力,股骨及軟骨接觸應(yīng)力?

1.6統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,組問(wèn)比較使用單因素方差分析法(one.wayANOVA)和LSD檢驗(yàn),P<0.05為差異有顯著性意義?

2結(jié)果Results

2.1正常膝關(guān)節(jié)及UKA有限元模型網(wǎng)格劃分

建立了包含骨?軟骨?半月板及主要韌帶的正常膝關(guān)節(jié)有限元模型,共212128個(gè)單元和219443個(gè)節(jié)點(diǎn),并建立了7個(gè)不同后傾角度的UKA有限元模型,具體網(wǎng)格劃分見(jiàn)表2?

所建模型包含結(jié)構(gòu)完善,形態(tài)逼真,以正常膝關(guān)節(jié)和后傾7?UKA有限元模型為例,見(jiàn)圖1?

2.2正常膝關(guān)節(jié)有限元模型驗(yàn)證

軸向載荷下模型驗(yàn)證：內(nèi)外側(cè)間室分別承擔(dān)總載荷的55.1%和44.9%,半月板承擔(dān)總載荷約69%,內(nèi)外側(cè)半月板分別承擔(dān)相應(yīng)問(wèn)室載荷的64%和75%,均與文獻(xiàn)結(jié)果相近【30】?

接觸應(yīng)力:股骨軟骨內(nèi)外側(cè)間室最大接觸應(yīng)力分別為2.38和2.39MPa:脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)軟骨最大接觸應(yīng)力分別為2.68和2.43MPa;內(nèi)外側(cè)半月板最大接觸應(yīng)力分別為2.55和2.47MPa,均與文獻(xiàn)結(jié)果相近【15】?

接觸面積:1000N軸向載荷作用下脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)軟骨接觸面積分別為580.3mm 2和435.5mm 2,總接觸面積為1015.8mm 2,半月板與脛骨接觸面積占總接觸面積的74.1%,均與文獻(xiàn)中體外試驗(yàn)結(jié)果相近【31】?

前抽屜作用力下模型驗(yàn)證：在134N前向抽屜力作用下,脛腓骨同時(shí)前移4.62mm,內(nèi)旋1.7°,與文獻(xiàn)結(jié)果相近【25】,模型得到驗(yàn)證?

2.3不同后傾角度UKA模型分析

脛骨皮質(zhì)骨VonMises應(yīng)力(圖2):皮質(zhì)骨VonMises應(yīng)力主要集中于近端脛骨的后側(cè)及后內(nèi)側(cè)皮質(zhì),隨著后傾角度的逐漸增大,近端脛骨后側(cè)及后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力逐漸增大,而前內(nèi)側(cè)應(yīng)力逐漸減小?

而當(dāng)前傾2°時(shí),前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)VonMises應(yīng)力較后傾角度時(shí)明顯增大,而后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)無(wú)應(yīng)力集中?0°-11°脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)最高VonMises應(yīng)力分別為7.47,7.82,8.0,8.22,8.46,8.65MPa,9°及11°后傾與3°后傾相比差異有顯著性意義(P=0.0435UP=0.022)~0°-11°后傾脛骨前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)最高VonMises應(yīng)力分別為7.04,6.89,6.70,6.76,7.01,7.03MPa,2°前傾時(shí)前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)最高VonMises應(yīng)力為7.23MPa,與3°后傾相比差異有顯著性意義(P=0.045)?

脛骨皮質(zhì)骨VonMises (圖3):所有模型內(nèi)側(cè)平臺(tái)松質(zhì)骨VonMises應(yīng)力主要集中于脛骨垂直及水平截骨面交界處,及水平截骨面脛骨假體龍骨凹槽內(nèi)側(cè)區(qū)域?隨著后傾角度的增大,近端脛骨后側(cè)松質(zhì)骨應(yīng)力逐漸增大,脛骨髁間隆起后側(cè)松質(zhì)骨應(yīng)力也逐漸增人,水平截骨面應(yīng)力集中區(qū)域逐漸后移?

內(nèi)外側(cè)間室載荷分布及接觸應(yīng)力(表3):2°前傾時(shí)內(nèi)側(cè)間室載荷較各后傾角度均較大;從0°到11°后傾,隨著后傾角度的增火,內(nèi)側(cè)間室載荷所占比例逐漸減小,而內(nèi)側(cè)間室股骨?脛骨假體及襯墊峰值接觸應(yīng)力無(wú)規(guī)律性變化:外側(cè)間審載荷比例逐漸增大,股骨軟骨峰值接觸應(yīng)力也隨之逐漸增大;從3°到11°后傾,脛骨軟骨峰值接觸應(yīng)力逐漸增大?與3°后傾相比,9°及11°后傾時(shí)股骨及脛骨軟骨峰值接觸應(yīng)力均增加大于40%,其差異有顯著性意義(P=0.047和P=-0.014)?

3討論Discussion

脛骨假體后傾角度的確定是UKA中的重要環(huán)節(jié),是影響假體長(zhǎng)期生存率及臨床療效的重要因素【32】?盡管如今UKA手術(shù)器械的設(shè)計(jì)越來(lái)越精良,然而仍很大程度上依賴(lài)術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定最終截骨角度和假體安放位置】?雖然大多數(shù)UKA假體都規(guī)定了脛骨后傾的允許范圍,但由于脛骨后傾與膝關(guān)節(jié)骨結(jié)構(gòu)應(yīng)力?韌帶張力?運(yùn)動(dòng)學(xué)及平臺(tái)磨損率等均有密切聯(lián)系,故如何選擇最佳后傾角度仍存在較多爭(zhēng)議,因此具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性的相關(guān)生物力學(xué)研究就顯示出其重要參考價(jià)值?

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，有限元分析方法得到蓬勃發(fā)展。由于膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何形狀多變，體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)很難對(duì)膝關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量【34】，而有限元方法則不須昂貴而復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并可以通過(guò)精確的控制邊界條件，更準(zhǔn)確地模擬膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)，且可重復(fù)性強(qiáng)。因此越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)置換后的生物力學(xué)研究。然而與全膝關(guān)節(jié)置換相比，關(guān)于UKA中脛骨后傾的有限元研究較少。

本研究通過(guò)影像學(xué)重建技術(shù)構(gòu)建了較為完整的正常膝關(guān)節(jié)模型，參考文獻(xiàn)中體外實(shí)驗(yàn)及有限元研究結(jié)果，對(duì)正常膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)載荷分布、接觸應(yīng)力及面積進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了該正常膝關(guān)節(jié)模型的有效性。在此基礎(chǔ)之上建立了不同后傾角度脛骨假體的UKA三維有限元模型，包含結(jié)構(gòu)較為完善，主要分析了UKA后脛骨假體后傾對(duì)骨應(yīng)力的影響，以期從骨應(yīng)力方面對(duì)如何選擇后傾角度給以合理解釋。

由于皮質(zhì)骨彈性模量遠(yuǎn)大于松質(zhì)骨，故膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)問(wèn)室均由皮質(zhì)骨承擔(dān)絕大部分載荷。皮質(zhì)骨的承載作用對(duì)于UKA術(shù)后脛骨假體的穩(wěn)定十分重要，皮質(zhì)骨顯著增大的應(yīng)力和應(yīng)變易引起術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)殘留疼痛，并可明顯增加脛骨假體周?chē)钦埏L(fēng)險(xiǎn)。Simpson等【35】對(duì)使Oxford活動(dòng)平臺(tái)假體的近端脛骨有限元模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)每增加2°脛骨后傾，脛骨前內(nèi)側(cè)區(qū)域平均VonMises應(yīng)變僅增加約3％，認(rèn)為改變脛骨后傾角度對(duì)近端脛骨前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨應(yīng)變影響不大。Small等【36】使用第4代復(fù)合材料制作的脛骨近端模型，同樣使用Oxford假體，分析不同后傾角度對(duì)近端脛骨應(yīng)變的影響，發(fā)現(xiàn)與脛骨假體5°后傾相比，脛骨前傾5°時(shí)近端脛骨前內(nèi)側(cè)應(yīng)變最高可增加40％，而當(dāng)脛骨假體

從5°后傾增加至10°后傾時(shí)，近端脛骨后內(nèi)側(cè)區(qū)域應(yīng)變最高可增加80％。本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于活動(dòng)平臺(tái)單髁假體，以3°后傾為參考，發(fā)現(xiàn)9°及11°后傾顯著增加近端脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)VonMises應(yīng)力，而3°前傾顯著增加前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)YonMises應(yīng)力，與Simpson研究結(jié)果相似，故認(rèn)為應(yīng)避免9°及大于9°后傾，同時(shí)應(yīng)避免脛骨假體前傾放置。由于應(yīng)力遮擋效應(yīng)，松質(zhì)骨較皮質(zhì)骨而言承擔(dān)較少載荷。松質(zhì)骨應(yīng)力和應(yīng)變過(guò)大可使脛骨假體的無(wú)菌性松動(dòng)加速。Sawatari等【37】對(duì)僅含近端脛骨的固定平臺(tái)UKA模型行有限元分析，發(fā)現(xiàn)0°后傾時(shí)脛骨松質(zhì)骨應(yīng)力最小，而5°、10°后傾松質(zhì)骨應(yīng)力及脛骨平臺(tái)表面屈服區(qū)域依次增大，故認(rèn)為應(yīng)避免過(guò)度后傾以減小骨應(yīng)力。本研究發(fā)現(xiàn)脛骨后傾角度的增大易引起平臺(tái)截骨面松質(zhì)骨應(yīng)力的后移，并增加脛骨后側(cè)松質(zhì)骨的應(yīng)力，從而增加脛骨假體后方松動(dòng)和移位的風(fēng)險(xiǎn)，與Sawatari的研究結(jié)果相一致。

本研究結(jié)果與相關(guān)的臨床研究具有較強(qiáng)的一致性。Hemigou【38】等對(duì)99例固定平臺(tái)UKA行平均16年的隨訪(fǎng)，17例因脛骨假體松動(dòng)而翻修，發(fā)現(xiàn)該17例UKA的脛骨后傾明顯大于無(wú)松動(dòng)組，認(rèn)為過(guò)度的后傾導(dǎo)致脛骨的過(guò)度前移，從而引發(fā)了假體松動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)增加脛骨后傾并沒(méi)有增加膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，故推薦脛骨后傾合理角度為3°-7°之間。Aleto等【39】對(duì)13例因內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)塌陷而行翻修的全聚乙烯脛骨假體UKA行研究發(fā)現(xiàn)，后側(cè)脛骨平臺(tái)塌陷的后傾角度平均為12．8°，而前方脛骨平臺(tái)塌陷的后傾角度平均為4．8°，表明過(guò)度后傾易導(dǎo)致后方平臺(tái)塌陷，骨量丟失嚴(yán)重，顯著增加翻修的難度。

此外,既往文獻(xiàn)所建模型均較為簡(jiǎn)單,多只包含單純脛骨模型,內(nèi)外側(cè)間室施加載荷方式多為自定義比例方式,與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn),故多數(shù)研究未對(duì)外側(cè)間室載荷變化情況進(jìn)行分析?而本研究采用由股骨參考點(diǎn)施加軸向載荷方式,較為自然的模擬了UKA術(shù)后單腿站立相的負(fù)重【29】分析了外側(cè)間室的載荷分布,發(fā)現(xiàn)隨著后傾角度增大,外側(cè)間室載荷及軟骨接觸應(yīng)力也逐漸增大?根據(jù)HadIev等【40】研究結(jié)果,慢性的關(guān)節(jié)軟骨接觸應(yīng)力大于2MPa即可導(dǎo)致軟骨的不可逆損傷?故可推論UKA術(shù)中后傾角度增大可增加外側(cè)間室軟骨退變的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展加快,從而引起UKA術(shù)后的早期失敗?本研究以3°后傾為參考,發(fā)現(xiàn)9°及11°后傾顯著增加外側(cè)間室軟骨接觸應(yīng)力,故認(rèn)為應(yīng)避免9°及大于9°后傾?

然而除了影響骨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力之外,UKA術(shù)后脛骨假體后傾對(duì)前交叉韌帶的應(yīng)力及膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)改變也有較多影響,成為影~JUKA假體長(zhǎng)期生存率的重要因素?目前文獻(xiàn)中研究結(jié)論不一?Suero等【41】利用尸體實(shí)驗(yàn)對(duì)前交叉韌帶缺失的固定平臺(tái)UKA行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加脛骨平臺(tái)后傾時(shí),明顯增加脛骨前移,而當(dāng)減少后傾時(shí),可使脛骨前移減少到與前交叉韌帶正常時(shí)UKA的相同水平?而Weber等【42】對(duì)活動(dòng)平臺(tái)UKA行體外實(shí)驗(yàn)研究顯示,增加脛骨后傾可減少襯墊與脛骨假體之間位移,從而減少襯墊后方磨損,并認(rèn)為增加后傾可增加著地相的穩(wěn)定性?本研究沒(méi)有對(duì)UKA術(shù)后前交叉韌帶的應(yīng)力及膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究,是本研究的不足之處,有待在進(jìn)一步研究中完善?

本研究還有一些其他局限性:由單一志愿者的CTSEIMRI掃描獲取影像學(xué)數(shù)據(jù),所重建膝關(guān)節(jié)模型可能只反映個(gè)人情況,降低了其推廣性;對(duì)脛骨只簡(jiǎn)單區(qū)分了皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,并為簡(jiǎn)化模型,將皮質(zhì)骨?松質(zhì)骨及半月板均視為各向同性彈性材料,沒(méi)有模擬出實(shí)際情況中上述結(jié)構(gòu)的復(fù)雜材料屬性;只對(duì)UKA模型行靜態(tài)垂直載荷下分析,且只模擬了膝關(guān)節(jié)伸直情況,沒(méi)有更多的模擬實(shí)際步態(tài)周期中膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和載荷情況,將來(lái)應(yīng)進(jìn)一步完善不同后傾的UKA模型在各種屈曲角度,及在各種內(nèi)外翻及內(nèi)外旋力矩?前后抽屜作用力下的有限元分析?

總之,本研究在國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上,采用了較為先進(jìn)的影像學(xué)重建技術(shù)和建模方法,基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的正常膝關(guān)節(jié)模型構(gòu)建了不同脛骨假體后傾角度的UKA模型,模型新穎?包含結(jié)構(gòu)完善,施加載荷合理,分析了后傾對(duì)骨應(yīng)力?內(nèi)外側(cè)問(wèn)室載荷分布及接觸應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)過(guò)度后傾可明顯增加脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨應(yīng)力,使脛骨平臺(tái)后內(nèi)側(cè)塌陷風(fēng)險(xiǎn)增高,且增加了外側(cè)間室的載荷和軟骨應(yīng)力,使外側(cè)問(wèn)室骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)增加,而前傾時(shí)使前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力明顯增高,認(rèn)為活動(dòng)平臺(tái)UKA術(shù)中脛骨假體0°一7°后傾較為合理?