肥胖患者膝关节置换胫骨延长杆对胫骨应力分布影响的研究

强硕 高宗炎 许奎雪 张建鹏 郑稼

肥胖患者膝关节置换胫骨延长杆对胫骨应力分布影响的研究

强硕 高宗炎 许奎雪 张建鹏 郑稼

目的使用有限元技术来研究肥胖患者膝关节置换中胫骨侧不同长度延长杆的使用对胫骨应力分布的影响以及胫骨内翻截骨时胫骨平台所受应力变化。方法 选取 1 名正常健康女性志愿者，通过螺旋CT 扫描，三维重建及有限元分析软件，建立三维膝关节胫骨侧模型。使用标准胫骨假体，长度 60 mm，长度 100 mm 延长杆。建立标准平台、平台＋60 mm 延长杆、平台＋100 mm 延长杆和内翻 5° 平台四组有限元模型，加载肥胖患者行走时压力，分析胫骨应力分布情况。结果 当使用 60 mm 及 100 mm 延长杆时，胫骨所承受轴向应力最高分别达到 66.3 MPa 和 67.2 MPa，与标准平台的胫骨轴向应力 ( 42.3 MPa ) 差异有统计学意义( P＜0.05 )。当使用 60 mm 延长杆时，胫骨后侧平台应力为 ( 3.12±1.20 ) MPa，与对照组中后侧平台应力差异有统计学意义 ( P＜0.05 )；但 60 mm 与 100 mm 延长杆在后侧平台方向应力差异无统计学意义 ( P＞0.05 )。在100 mm 延长杆模型中，内侧平台的应力比标准平台、60 mm 延长杆组的应力明显减小 ( P＜0.01 )。前侧、外侧平台的应力分布在各个模型中差异无统计学意义 ( P＞0.05 )。当 5° 内翻截骨时，胫骨平台内侧出现明显应力集中。结论 在数字化模型中，胫骨平台延长杆可以起到传导近端胫骨应力的作用。当胫骨平台后侧骨缺损时，建议使用 60 mm 延长杆分散平台应力；当胫骨平台内侧骨质条件较差时，使用 100 mm 延长杆才能起到分散应力的作用。

胫骨；有限元分析；应力，物理；人体质量指数；关节成形术，置换，膝

【Key words】Tibia; Finite element analysis; Stress, mechanical; Body mass index; Arthroplasty, replacement, knee

随着肥胖人群的显著增加以及我国的人口老龄化趋势日益严峻，全膝关节置换 ( total knee arthroplasty，TKA ) 正面临越来越多的肥胖患者 ( BMI＞30 )，而肥胖一直是膝关节置换失败的主要危险因素之一[1]。肥胖的老龄患者常伴有不同程度的骨质疏松以及代谢相关性疾病，TKA 术后胫骨平台假体长期高负荷，致关节翻修率与并发症远高于非肥胖患者[2]。有学者提出[2]，在肥胖患者 ( BMI＞33.7 ) 的TKA 术中，假体无菌性松动是 TKA 术后失败的主要原因，而其中又以胫骨假体松动最为常见。使用胫骨延长杆可以有效分散假体－骨界面的应力，维持假体的稳定性，降低假体松动的概率[3]。但是，延长杆长度的选择并没有明确的参考标准，故本研究的目的其一为在数字化模型中，研究延长杆的长度的变化是否会影响胫骨及假体应力分布。

然而，对于肥胖患者来说，手术操作中要想完全做到胫骨假体在冠状面上与下肢力线垂直的难度较大，Winiarsky 及其他一些学者认为，对于肥胖患者的 TKA 中使用髓内定位会增加胫骨假体的力线准确性[1,4-6]，但因为髓内定位的并发症发生率较高[4,6-9]，髓外定位以其灵活损伤小等特点受到很多专家的青睐。然而，对于肥胖患者来说，胫前肌等髓外定位体表解剖标志较难准确触及，使用髓外定位会导致胫骨平台截骨角度无法精确测量，文献报道称[10]，髓外定位时下肢力线角度为 ( 178± 3.38 ) °，说明胫骨平台内翻在在髓外定位中发生率较高，本研究使用有限元技术来分析肥胖患者中，( 1 ) 胫骨平台截骨角度内翻 5° 与 0° 截骨时相比，胫骨平台及假体应力分布异同；( 2 ) 延长杆长度的变化是否会影响胫骨及假体应力分布。

材料与方法

一、研究对象

选取成年女性的胫骨标本，先行 X 线检查以排除损伤、骨病等病理变化。用螺旋 CT 机 ( SIEMENS SOMATOM ) 对标本进行扫描，间距 1 mm，条件120 kv，140 mAs，得到连续横断面图像 330 层。图像文件输入计算机保存以 DICOM 格式保存，建立胫骨的三维模型。

二、实验方法

经过影像处理软件 mimics15.0 ( Materialise ) 转换为实体模型，并导入三维 CAD 软件 Unigraphics NX8.5 ( Siemens ) 进行模拟手术，植入胫骨平台假体、骨水泥及延长杆。材料参数采用 Stolk 等[11]提出的数据。皮质骨、松质骨及植入体均为各项同性材料，皮质骨弹性模型为 17GPa，松质骨弹性模量为 0.4GPa，胫骨平台和延长杆材质均为 Ti6Al4V，Ti6Al4V 和骨水泥的弹性模型 ( 表1 )。

表1 不同材料的弹性模量与泊松比Tab.1 Elasticity modulus and Poisson’s ratios of different materials

三、有限元模型的建立及分组

膝关节选用 ACCK 假体 ( 爱康中国 ) 按照公司提供的规格，在 NX8.5 软件上构建膝关节假体模型，以 modfem 格式保存，加载胫骨模型，分别为 0° 截骨 ACCK 型标准平台 ( 对照组 )、0° 截骨＋60 mm 延长杆 ( 实验 1 )、0° 截骨＋100 mm 延长杆 ( 实验 2 ) 与内翻 5° 平台截骨 ( 实验 3 ) 4 种模型，分别加载胫骨模型。模型中，胫骨假体与延长杆均使用骨水泥固定；并在 100 mm 延长杆中，延长杆远端与胫骨髓腔压配。对模型采用四面体单元进行网格划分，并对模型间接触的部分网格进行细化。对平台垂直加载2500 N 的力，相当于体重指数 BMI＝33.7 时，身高为 1.6 m 体重为 85 kg 时，模拟其走路时所受到的压力 ( 3 倍人体重量 )[12]；约束条件为胫骨远端固定。

对模型进行定量的三维有限元应力分析，了解使用不同长度延长杆时及内翻 5° 截骨时，胫骨、胫骨平台以及假体所受应力的分布特征，使用单因素方差分析比较实验 1、2 组与对照组的胫骨平台应力分布特征以及胫骨前后表面由近端到远端应力分布差异；分析比较实验 3 组与对照组的胫骨假体应力分布情况。

在胫骨有限元模型上，读取胫骨平台前侧、后侧、内侧及外侧选取相同大小区域的 10 个网格的应力值，在多个实验组及对照组间进行对比分析；在胫骨模型中，将胫骨由近端到远端前后表面正中线上每隔 1 cm 选取相应网格单位记录数据，在实验1、2 组与对照组中，将 3 组模型胫骨前后表面上同等高度配成一个测量点，共分为 31 个测量点。

四、统计学处理

利用 SPSS 19.0 统计软件，使用单因素方差分析( one-way ANOVA ) 方法，P＜0.05 视为差异有统计学意义。

结 果

当膝关节垂直受力的模式，模拟 BMI 为 33.7，身高为 1.60 m 的患者下楼梯状态下，膝关节受力2500 N，所得应力分布结果，胫骨的应力水平从近端向远端逐渐上升，于胫骨中段后侧达到高峰，应力最大值为 43.3 MPa，置换 60 mm 和 100 mm 延长杆假体，没有改变这种轴向应力的模式，但应力峰值位置向下传导，位于胫骨中下 1 / 3 后侧，最高分别达到 66.3 MPa 和 67.2 MPa，同时胫骨近端的应力减小，100 mm 假体下胫骨近端的应力下降 ( 76% )要高于 60 mm 的假体 ( 34% )，差异有统计学意义( P＜0.05 ) ( 图1 )。当使用 60 mm 延长杆时，胫骨后侧平台应力为 ( 3.12±1.20 ) MPa，与对照组中后侧平台应力 ( 4.32±0.52 ) MPa，差异有统计学意义( P＜0.05 )；但 60 mm 与 100 mm 延长杆在后侧平台方向应力差异无统计学意义 ( P＞0.05 ) ( 表2 )。内侧平台的应力分布趋势则与后侧不同，标准平台、30 mm 与 60 mm 延长杆模型中，内侧平台应力分布差异无统计学意义 ( P＞0.05 )，而 100 mm 延长杆模型中，内侧平台的应力比其它 3 组的应力明显减小( P＜0.01 )。前侧、外侧平台的应力分布在各个模型中差异无统计学意义 ( P＞0.05 )。

胫骨平台所受应力，当 5° 内翻截骨时，胫骨平台内侧出现明显应力集中 ( P＜0.05 ) ( 图2，3 )，外侧平台平均应力值明显减小，前侧及后侧平台差异无统计学意义 ( 表3 )，胫骨平台假体内侧翼出现应力峰值 ( 110.2 MPa )，远大于外侧翼应力值( 57.61 MPa )。

表2 胫骨平台各方向上不同杆长度所受应力大小 ()Tab.2 Tibial plateau stress and stem length ()

表2 胫骨平台各方向上不同杆长度所受应力大小 ()Tab.2 Tibial plateau stress and stem length ()

胫骨平台方向 杆长度 ( mm ) 0 60 100前侧 1.54±0.40 2.04±1.76 1.97±0.48后侧 11.44±1.08 6.65±2.17 7.46±1.85内侧 3.93±1.40 3.21±2.06 2.96±1.79外侧 4.32±0.52 3.12±1.20 3.58±0.71

表3 胫骨平台与胫骨截骨角度应力 ()Tab.3 Tibial plateau stress and osteotomy angle ()

表3 胫骨平台与胫骨截骨角度应力 ()Tab.3 Tibial plateau stress and osteotomy angle ()

胫骨平台方向 截骨角度0° 内翻 5°前侧 1.54±0.404 1.77±0.19后侧 11.44±1.087 14.72±4.20内侧 3.93±1.400 13.11±3.85外侧 4.32±0.520 2.40±0.63

图1 胫骨后侧应力分布 a：标准平台，b：标准平台 + 60 mm 延长杆，c：标准平台 + 100 mm 延长杆图2 内翻 5° 截骨时胫骨假体应力分布Fig.1 Distribution of stress at posterior tibia a: Standard tibial plate; b: Standard tibial plate + 60 mm stem; c: Standard tibial plate + 100 mm stemFig.2 Stress distribution of tibial component in varus 5°

讨 论

有研究已经证明在膝关节假体置换中，假体是否匹配、患者的体重指数 ( BMI ) 和假体是否移位，与假体的失败存在明显关联[13-15]。膝关节置换术失败的最常见原因为无菌性松动，应力变化导致的松动可能发生在骨－骨水泥，假体－骨水泥界面，也可能是因为近端胫骨松质骨塌陷所引起。本实验结果显示，胫骨延长杆的使用可以使胫骨平台及胫骨近端所受应力减小，当胫骨平台后侧存在骨缺损或者骨质条件较差时，使用 60 mm 可以有效减少胫骨平台后侧所受应力，同时又避免了 100 mm 延长杆所造成的胫骨远端的应力集中；对于胫骨平台内侧来说，较短延长杆并不能起到应力分散的作用，当使用 100 mm 延长杆时，才能明显减小内侧平台应力；而对于胫骨平台前侧和外侧，延长杆的使用并不能减少应力。Bourne 通过体外实验研究长度为 3.75、5、15 cm 的延长杆对胫骨应力分布的影响，认为长杆假体产生明显的应力遮挡效应，是骨皮质吸收和假体尖端骨折发生率增加的因素，也是影响假体长期存留的因素。本实验研究结果支持这一结论。Brooks 等[16]研究发现常规的 30～40 mm 的短柄假体并不明显影响胫骨近端松质骨和皮质骨壳的受力，而 70 mm 的长柄假体则承担了 23%～38% 的轴向负荷，这将导致近端的骨量减少，还发现假体倾斜、内侧塌陷越严重，假体－骨水泥，骨水泥－松质骨之间的应力越大。如果胫骨假体没有骨皮质的支撑，则基座下方皮质骨的应力将减少 33%～60%，此处的松质骨比较脆弱，应力大部分集中在骨－骨水泥界面，容易出现较大的剪切应力，增加假体松动的几率[17]。

图3 胫骨内翻截骨角度与胫骨平台内侧所受应力比较Fig.3 Varus osteotomy and the medial tibial plateau stress distribution

当使用 100 mm 长延长杆时，延长杆下端卡入胫骨髓腔的狭窄部，起到固定的作用，但胫骨力线轴与解剖轴无论是在矢状面还是冠状面上都是不重合的[18-19]，所以安装延长杆假体必须是在胫骨平台水平截骨的前提下进行，若胫骨平台截骨面不能精确截骨，则会造成延长杆下端与骨皮质接触导致假体无法装入或磨损加重。在对肥胖患者手术时，由于下肢体表标志辨认困难，使用髓外定位经常会出现截骨角度误差，这种细微的误差即便是非常有经验的临床大夫也无法全部避免，但是，这些截骨角度微小的误差，在大体重的载荷下可能会导致应力分布不均匀，导致早期假体无菌性松动或骨溶解，进而影响假体的使用寿命。本研究结果表明，胫骨内翻 5° 时截骨会导致胫骨平台内侧及后侧骨表面应力增加，随着时间的推移，胫骨内侧发生骨溶解而塌陷导致手术失败的可能性增加，这一结果与其他学者的研究结果相近[20-21]。有研究提出，胫骨内翻与 BMI＞33.7，这两个因素与手术失败有高度相关，且进一步证实内侧骨松质因高负荷导致的病变可以通过精准的中立位截骨来避免[19]。Green 等[20]实验发现当胫骨平台截骨水平时，胫骨受力更加平衡，并且可以减少内侧骨溶解的发生。Perillo-Marcone等[22]报道说，在胫骨平台内翻 2.5°～5° 时，松质骨所受应力增加 41%，骨应力的增加并不是因为载荷的增加，而是因为承受载荷的受力面积减小所致。Winiarsky 等[23]最早提出在肥胖患者的膝关节置换操作的难度增加，其包括胫骨截骨对位不良、软组织损伤导致的表面感染风险、手术时间长增加深部感染风险等因素。Rottman 和 Devashu[5,24]认为对肥胖患者置换膝关节时，髓内定位的精确度要远远高于髓外定位，这一观点也得到学者的认可[11,25]。笔者认为，在肥胖患者 TKA 时胫骨使用髓内定位法，可增加水平截骨的精确度，从而平衡应力，减少无菌性松动发生的几率。

Levitz 等[26]认为，在膝关节置换术后 6 周至6 个月，胫骨假体下方骨密度值持续减少，术后8 周内骨密度平均下降 36.4%。Silva 等[27]通过测量 13 例全髋关节置换术后患者应力遮挡率与骨丢失的关系，证实 50%～60% 的骨质丢失源于应力遮挡，据此认为：应力遮挡率＞30% 时易出现严重的骨质丢失。皮质骨区骨量的减少以及骨密度下降，不利于骨水泥和骨质的锚定以及多孔假体表面的骨长入，以致出现界面间隙而引起松动。本研究结果显示，与标准平台相比，60 mm 与 100 mm 延长杆均在胫骨近端形成应力遮挡，100 mm 延长杆形成的应力遮挡范围更大，最大达 76%，60 mm 延长杆形成的应力遮挡范围较小遮挡率也较低。李峰等[28]对40 mm 及 75 mm 两种长度假体柄对胫骨应力遮挡进行了比较分析，认为长柄假体在胫骨近端造成了较大的应力遮挡，最大达 94.4%，其结论是长柄假体的应力遮挡效应更大。故在使用长延长杆时，胫骨近端应力遮挡较大，容易形成骨质吸收，是术后复查重点观察的部位。但是对于膝关节翻修的老年女性患者，皮质骨缺损、骨质疏松严重时，可使用长的延长杆，有助于从胫骨近端向远端传导应力，分散皮质骨及近端松质骨受力，减小术后假体周围骨折发生的风险。

综上所述，胫骨平台内翻截骨会导致平台内侧应力显著增加，延长杆可以起到分散近端胫骨应力的作用，当胫骨平台后侧骨缺损时，建议使用60 mm 延长杆分散平台应力；当胫骨平台内侧骨质条件较差时，使用 100 mm 延长杆才能起到分散应力的作用；而对于前侧及外侧来说，延长杆的使用并没有明显应力分散作用。相反，延长杆过长时，会使胫骨中下段应力集中，并对胫骨近端造成明显应力遮挡，容易造成胫骨近端骨溶解从而形成平台塌陷；同时，延长杆与骨皮质接触区域应力增加会加大磨损并造成疼痛，甚至造成假体无菌性松动。

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( 本文编辑：李贵存 )

Effects of tibial stem on tibiae stress distribution in high BMI patients received total knee arthroplasty

QIANG Shuo, GAO Zong-yan, XU Kui-xue, ZHANG Jian-peng, ZHENG Jia. Department of Orthopedics, People’s Hospital of Henan Province, Zhengzhou, Henan, 450000, China Corresponding author: ZHENG Jia, Email: zhengjia90180@sina.com

Objective Using finite element ( FE ) analysis to explore the influence of the tibial base plate with different length of stemming of total knee arthroplasty ( TKA ) in obese patients on the tibial stress distribution and variation of tibial plateau stress with varus plateau. Methods A healthy female volunteer was enrolled in the present study. First 3D FE models of the knee joint were reconstrusted on the basis of the spiral CT scans of the volunteer. Four FE models were constructed of the tibia plateau ( standard tibial base plate, tibial plate + 60 mm-long stem, tibial plate + 100 mm-long stem, standard tibial base plate with 5° varus ) to analyze the biomechanical variation in full-length tibia stress pattern. Results There were significant differences ( P ＜ 0.05 ) in tibia stress pattern between standard tibial base plate ( 42.3 MPa ) and tibia plateau with stem of 60 mm ( 66.3 MPa ) and 100 mm ( 67.2 MPa ). Using 60 mm stem to make the posterior stress of tibia plateau much lower than other groups, but there were no significant differences between 60 mm and 100 mm. In the model of 100 mm stem, the stress of medial tibia plateau was significantly lower than the standard tibial plate and 60mm stem ( P ＜ 0.01 ). There were no significant differences among these 3 different lengths of stems in the anterior and lateral tibia plateau. Stress of medial tibia plateau was much higher in 5°varus standard tibial base plate. Conclusions Tibia plateau vatus would increase medial stress of plateau, and using stem could transmit proximal stress to distal of tibia. The 60 mm stem is availiable for the posterior tibia bone defect, and can reduce the posterior stress. And 100 mm stem could lower the medial stress distribution of tibial plateau. Increasing the length of stem would not dismiss stress, on the contrary, long stem may cause significant stress shielding in the proximal tibia.

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.009

R687.4, R445

450000 郑州，河南省人民医院骨科 ( 强硕、高宗炎、郑稼 )；102200 北京爱康宜诚医疗器材有限公司( 许奎雪、张建鹏 )

郑稼，Email: zhengjia90180@sina.com

2016-08-26 )