全膝关节置换后关节线变化对髌股关节生物力学的影响

全膝关节置换假体对线不良:有关节线位置变化、轴向对线不良以及旋转对线不良 3 种，旋转对线不良可以增加扭转应力和屈膝不稳定，引起聚乙烯衬垫磨损和假体松动，轴向对线不良导致胫骨平台负荷偏心，聚乙烯衬垫加剧磨损，引起假体松动，旋转对线不良和轴向对线不良目前的研究已经比较广泛和深入。

关节线异常:髌股关节的生物力学特性受关节线的影响，关节线的异常会引起生物力学的变化，引起膝关节疼痛。正常的关节线在股骨外上髁下1cm、腓骨小头上1cm 或者股骨内上髁下 2.5 cm。

摘要

背景:全膝关节置换翻修的主要原因除感染外，聚乙烯衬垫磨损以及假体松动也是最常见的原因，关节线高度对髌股关节生物力学的影响尚无定论。

目的:观察全膝关节置换后关节线变化对髌股关节生物力学的影响。

方法:建立全膝关节置换后膝关节三维有限元模型，计算膝关节屈曲度在 0°，30°，60°和 90°时不同关节线高度对股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力变化的影响。

结果与结论:

1膝关节屈曲 0°时，关节线高度在-3-4.5 mm 变化对股四头肌拉力、膑腱拉力和髌股关节间作用力没有太大影响。

2在膝关节屈曲 30°-90°时，关节线高度在 3 mm 以下对股四头肌拉力、膑腱拉力和髌股关节间作用力影响不大:关节线高度超过 3mm 对股四头肌拉力、膑腱拉力和髌股关节间作用力的影响比较明显。

3因此建议全膝关节置换术中关节线的高度最好控制在正负 3 mm 以内。

关键词:

骨科植入物:人工假体:全膝关节置换:关节线:假体:聚乙烯衬垫:三维有限元;髌股关节:生物力学

主题词:

关机成形术，置换，膝:假体植入:有限元分析:生物力学:组织工程

0 引言Introduction

人工全膝关节置换是膝关节疾病的最终治疗方案，随着技术水平的不断发展，全膝关节置换术的成功率和满意度不断提高。尽管如此，仍有各种原因导致膝关节术后翻修，翻修手术的主要原因除了感染因素外，最常见的原因是聚乙烯衬垫的磨损以及假体的松动。假体对线不良是导致聚乙烯衬热模型和假体松动的主要原因，聚乙烯衬垫的磨损和假体的松动同时有加剧假体的对线不良，最终引起膝关节不稳定，假体对线不良也会引起膝关节功能障碍和膝关节疼痛。

全膝关节置换假体对线不良有关节线位置变化、轴向对线不良以及旋转对线不良3种，旋转对线不良可以增加扭转应力和屈膝不稳定，引起聚乙烯衬垫磨损和假体松动，轴向对线不良导致胫骨平台负荷偏心，聚乙烯衬垫加剧磨损，引起假体松动，旋转对线不良和轴向对线不良目前的研究已经比较广泛和深入。在全膝关节置换术翻修手术中，关节线的变化发生率比较高，关节线过高或过低都将造成不良影响。对于关节线变化对膝关节功能的影响有多大及关节线在什么范围内变化对膝关节功能的影响比较小目前尚无定论。

文章通过建立全膝关节置换后膝关节三维有限元模型，观察膝关节屈曲不同度数时的股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力变化，以及关节线高度在3-4.5 mm范围内改变时，不同膝关节屈曲度对股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力变化的影响。

1 对象和方法 Subjects and methods

1．1 设计 三维有限元分析，生物力学试验。

1．2 时间及地点 于2014年9月至2015年 6月在河南中医学院第一 附属医院实验室完成 。

1．3 材料

后稳定性膝关节假体:由美国施乐辉公司提供。

设备:CT机为美国GE医疗公司提供，扫描层厚度1 mm; 计算机工作站DELL Precision T5400图形工作站。

软件:Abaqus6.10(法国Dassault公司);Geomagic Studio 11(美国Raindrop公司); Solid works2012(美国 Dassault Systemes S.A公司);Catia V5 R16(法国 Dassault公司);Mimics 10.01(比利时Materialise公司); HyperMesh 10.0(美国Altair公司);Simpleware2.0(英国 Simpkware公司)。

1.4对象 选取1名身体健康的男性志愿者，年龄40岁，体质量90kg，身高180cm，既往无外伤及手术时，无遗传病及慢性病史，拍片及CT扫描排除股骨病变。

1.5 方法

建立下肢骨骼实体三维有限元模型:CT机以1 mm的层厚从上到下进行扫描，将得到的扫描图像导入Mimics软件，经软件自动处理，标准各层面的骨轮廓，手工对各层图像进行修补处理。制作髌骨、胫骨和股骨的几何模型文件。将得到的模型文件保存为STL格式，导入Geomagic Studio软件中，经过数据处理，建立轮廓线，生成实体模型,保存为IGES文档，并导入Catia V5 R16和Solid works软件，通过截骨和建立组成膝关节的骨骼，生成三维几何模型(见图1)。

建立膝关节假体三维有限元模型:用三维定位扫描仪对膝关节假体进行扫描，获得膝关节假体数据。将获得的数据导入Geomagic Studio软件中，经过数据处理，建立轮廓线，生成实体模型，保存为IGES文档，并导 Abaqus 6.10软件，形成三维实体模型，然后采用10节点四面体对单元进行划分。

建立全膝关节置换后膝关节三维有限元模型:将上述建造的骨骼和假体模型导Solid works软件，按照以下限定条件安装假体:设定截骨平面与胫骨矢状面垂直，与胫骨水平面成5°角后倾，距离胫骨上端10 mm，胫骨假体下表面与截骨平面重合，胫骨假体纵轴和胫骨矢状面重叠:定义一个具股骨髁远端8mm与胫骨截骨面相平行的平面，使其与股骨假体远端内表面重合;设定一个紧贴股骨前侧骨皮质、与股骨前髁内表面重合的平面;在Solid works软件中按上述限定条件安装假体，生成全膝关节置换后膝关节三维有限元模型，见图1。

股骨头的机械特性设置:皮质骨、松质骨、股骨髁部件、金属基座和超过分子量聚乙烯的弹性模量分别为17 000，350，210，112，8.1MPa，皮质骨、松质骨、股骨髁部件、金属基座和超过分子量聚乙烯的泊松比都设置为0.3，0.25，0.3，0.34，0.4。

应力载荷的施加设置:本文在股骨固定，胫骨加载，没有作用的条件下观察膝关节屈曲不同度数时的股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力变化，此次研究在无重力作用、固定股骨、胫骨施加载荷的情况下，膝关节由屈曲90°直至伸膝0°时的伸膝装置应力变化。股骨近端固定，其他方向自由度为0，内外侧方向为X轴，前后方向为Y轴，远端近端方向为Z，股骨内外上髁中点为选择中心，股骨及其假体元件在X轴上位移0。股骨和股骨假体完全绑定，股骨假体和聚乙烯衬垫间设为滑动和滚动，胫骨及其假体和聚乙烯衬垫完全绑定， X轴上胫骨位移自由度0°;髌骨韧带长度不变，髌骨X轴在股骨内外髁切面上，髌骨在Z轴的旋转自由度为3°、位移约束2 mm，在X轴的旋转自由度为2°、位移约束2mm，在Y轴的位移约束为0.3mm。49N的力施加在胫骨远端的Y轴方向上，维持限定条件恒定，以1.5 mm为单位，在-3-4.5mm范围内改变聚乙烯衬垫厚度，计算膝关节屈曲度在0°，30°，60°和90时股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力的变化情况。

1.6主要观察指标

在股骨固定，胫骨加载，没有作用的条件下观察膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时测定股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节拉力值。

2结果 Results

2.1、正常关节线时不同膝关节屈曲角度与股四头肌拉力、骸韧带拉力和髌股关节间作用力的关系见表1。

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