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《第二军医大学》 2007年
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全膝关节置换术后髌股关节生物力学及临床研究

刘忠堂  
【摘要】: 背景 全膝关节置换术对于晚期关节炎和其他膝关节疾病已经成为一种非常成功的治疗方法。早期全膝关节置换术并未涉及髌股关节,术后膝前痛的发生率为40~58%。随着现代全髁假体的出现,髌股关节置换逐渐成为标准全膝关节置换术的重要组成部分。然而,最初并发症的发生率为4~50%,包括髌骨骨折、骨坏死、髌骨不稳、髌股关节过度填塞、髌骨轨道异常、伸膝装置撕裂和假体松动、半脱位或脱位。事实上,髌骨并发症是全膝关节置换翻修的主要原因,髌股假体翻修占全膝关节置换翻修的50%。髌骨置换后伸膝装置并发症发生率增加导致全膝关节置换术中选择性置换髌骨概念的提出。遗憾的是,由于髌股关节的高度复杂性,“选择性髌骨置换”本身就具有高度的不确定性。最近的若干前瞻性随机对照研究已经证明:“选择性髌骨置换”的大多数指标,如术前膝前疼痛、体重、髌骨软骨病变程度等都不能正确提示TKA后是否会发生膝前疼痛。 缺少对全膝关节置换术髌骨问题确定的前瞻性随机化资料使医生遵循三种处理方案:始终置换髌骨、从不置换髌骨或根据临床或术中所见选择性置换髌骨。一些随机化前瞻性研究对这一问题进行了阐述,多数全膝关节置换术无论是否置换髌骨均能获得预期的优良结果。比较一致的是不论是否置换髌骨,全膝关节置换术后膝前痛的发生更与假体设计和适当的手术技术有关。 全膝关节置换中,最佳的股骨假体设计可能包括一个较深的股骨滑车沟,向远端延伸足够远以保证在屈曲时支持髌骨,避免卡住髌骨边缘。有一个解剖型的曲率半径,复制最正常的髌骨轨迹。 髌骨置换中重要的手术因素是保持术前的髌骨厚度,进行对称性切骨和伸膝装置平衡。在髌骨切骨前、后应用测径器保证恢复术前的髌骨厚度,并且使置换后所有部位与原髌骨厚度相等。切骨过少可导致屈曲受限和膝前痛,切骨过多可导致髌骨骨折,不对称切骨可引起髌骨不稳。髌骨切骨导板能帮助获得更加一致的髌骨切骨。术中需要试件复位评价髌骨轨道。常推荐“无拇指技术”评价是否需要外侧支持带松解。 假体位置对于优化髌骨轨道很重要,不同的研究建议最佳的位置是髌骨假体的内上放置,股骨假体的外旋、外置和胫骨假体的外置。尤其应避免股骨和胫骨假体的内旋,股骨假体的前屈和股骨假体过大导致股骨远端前后径增大。当髌骨不置换时这些因素也很重要。 全膝关节置换术后髌股关节运动轨迹发生改变。为优化髌骨运动轨迹,需要对其生物力学进行分析。通常的力学试验手段基本上不直接应用于人体,采用尸体标本进行生物力学实验被认为是生物力学测试的金标准,但是尸体标本来源有限,不易保存,且标本之间存在个体差异,影响实验结果的准确性。计算机模型分析,一方面可以降低成本,节省时间、消除标本间的个体差异。另一方面则可通过对实验条件的控制,准确地模拟体内的力学情况。因此,我们首先建立人体膝关节计算模型,在此基础上模拟全膝关节置换术,以期分析股骨假体旋转技术和髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节的影响。另外,我们进行前瞻性随机化研究比较全膝关节置换中髌骨置换与否的临床结果。基于此目的,我们这一阶段的工作包括以下几部分: 第一部分:人体膝关节三维物理模型的建立及验证 第二部分:全膝关节置换术中股骨假体旋转对髌股关节生物力学的影响 第三部分:髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节生物力学的影响 第四部分:全膝关节置换术中髌骨置换与否的比较研究 第一部分人体膝关节三维物理模型建立及其有效性验证 目的根据膝关节的CT和MRI扫描图像,建立人体膝关节的三维物理模型,以计算髌股关节运动学参数,并验证其有效性。 方法根据膝关节CT、MRI扫描图像,利用图像处理和转换技术,运用CAD分析软件及由下而上的点、线、面、体建模原则,重建膝关节三维物理模型,并定义对髌股关节起重要作用的股四头肌、韧带及其他软组织为非线性弹性纤维束,并以股四头肌力为控制变量,模拟膝关节伸膝运动。 结果建立了一个有效的包括半月板、软骨、韧带和骨骼在内的膝关节三维物理模型。通过模型计算膝关节的部分运动学和力学参数,与文献中实验数据进行比较,结果表明该模型有效。 结论本研究基于CT和MRI所建立的膝关节三维物理模型,能逼真地反映膝关节的真实几何结构,可有效地计算髌股关节运动学参数。 第二部分全膝关节置换术中股骨假体旋转对线对髌股关节生物力学的影响 目的研究全膝关节置换术后髌股关节的生物力学。着重研究全膝关节置换术中股骨假体旋转对髌骨轨迹和髌股关节接触压力的影响。 方法利用验证的膝关节仿真模型按照下面位置虚拟地植入股骨假体:(1)中立位平行于股骨上髁轴,(2)内旋1°、2°,(3)外旋1°、2°。计算每种股骨假体位置的髌骨三维运动轨迹和髌股关节接触压力。 结果(1)股骨假体相对于股骨外科上髁轴内、外旋使髌骨的旋转角及倾斜角波动更大。(2)股骨假体内、外旋变化对髌骨在X方向上的位移有明显影响,股骨假体外旋,髌骨在X方向上的位移增大,反之亦然。(3)股骨假体内旋使主动伸膝阶段的髌股关节压力(PFCF)明显增大,股骨假体外旋PFCF降低。 结论股骨假体位置主要影响髌骨轨迹,股骨假体外旋可能导致髌骨半脱位,股骨假体内旋导致髌股关节接触压力增大,可导致髌股关节并发症。 第三部分髌骨置换技术对全膝关节置换术后髌股关节生物力学的影响 目的研究全膝关节置换术中髌骨置换技术,着重研究髌骨厚度和髌骨切骨不对称对髌股运动学和接触特性的影响。 方法采用人体膝关节仿真模型模拟标准的全膝关节置换术,然后分别模拟髌骨增厚1mm、2mm,减少1mm、2mm和髌骨内、外倾各1°、2°。分别计算各种情况下髌骨三维运动轨迹和髌股关节接触压力。 结果(1)在整个仿真过程中,髌骨厚度越大,髌骨倾斜角度越大,反之亦然。(2)屈膝超过60°后,髌骨厚度越大,其旋转角越大,(3)髌骨越厚,髌股关节接触压力越大,(4)髌骨厚度变化对髌骨在X、Y和Z方向上的位移无明显影响。(5)髌骨厚度增大时,PT/QT值变大,反之亦然(6)髌骨内、外倾对髌骨旋转角及倾斜角有明显影响,(7)髌骨外倾使髌骨在X方向上位移增大,反之亦然;而对Y、Z方向上的位移无明显影响,(8)在主动伸膝阶段,髌骨外倾使PFCF值增大;在自然屈膝阶段,髌骨内、外倾使PFCF值增大,(9)在自然屈膝后期及主动伸膝阶段,当髌骨外倾时,PT/QT值异常增大,反之亦然。 结论在进行全膝关节置换时,髌骨置换技术应尽量恢复髌骨置换前的厚度,避免不对称切骨。 第四部分全膝关节置换术中髌骨置换与否的比较研究 目的对60例膝关节骨性关节炎患者进行前瞻性、随机化研究,比较全膝关节置换术置换髌骨和未置换髌骨临床结果的差异。 方法2002年1月~2002年12月60例(60膝)行初次全膝关节置换术的骨性关节炎患者进行前瞻性、随机化研究。所有患者接受相同的后叉韧带替代型全膝关节假体(PFC),患者随机置换或不置换髌骨,平均随访54月(48~60月),进行临床评价,包括KSS评分、膝关节活动度、患者满意度和X线检查。 结果KSS总评分(p=0.12)、KSS疼痛评分(p=0.90)、患者满意度(p=0.22),两组术后膝前痛的发生率均为10%,两组无明显差异。ROM(p=0.028),KSS功能评分髌骨置换组与髌骨未置换组有统计学差异(83.8,72.2,p=0.0098)。 结论全膝关节置换术不论是否置换髌骨均能明显减轻疼痛和改善功能。术后膝前痛可能与假体设计和手术技术有关,与是否置换髌骨无关。对于膝关节骨性关节炎全膝关节置换时决定是否置换髌骨必须根据医生的训练和经验以及术中髌股关节评价进行个性化选择。假体设计和手术技术是全膝关节置换成功的主要因素。根据本研究结果,骨性关节炎患者进行全膝关节置换时如果选择与自体髌骨匹配的股骨假体,可不置换髌骨,全膝关节置换中最重要的是精确而正确的手术技术。
【学位授予单位】:第二军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R687.4

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【参考文献】
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