人工膝关节置换术中髌骨截骨厚度对髌股关节生物力学特性及膝关节置换术疗效的影响.docx

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人工膝关节置换术中髌骨截骨厚度对髌股关节生物力学特性及膝关节置换术疗效的影响

附件3

xxx学院

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本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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2.不保密□。

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摘要

目的：

利用用数据建立膝关节三维有限元模型,用软件模拟的方法,分析不同髌骨截骨厚度对髌骨应变及髌股关节压力的影响，以及人工膝关节置换术（TKA）中不同髌骨截骨厚度对膝关节置换术疗效的影响。

方法：

基于螺旋CT数据对膝关节和假体开展数据重构，并通过SolidWorks模拟不同手术方案，进而，建立不同截骨状态的膝关节有限元模型，实现对不同髌骨截骨方案的生物力学特性分析。

纳入2018年7月-2019年3月于本院骨科行全膝关节置换术的膝关节骨性关节炎患者为研究对象。

按TKA术中髌骨截骨厚度1mm（G1组）、2mm（G2组）、3mm（G3组）、4（G4组）mm分为四组，随机选取各25例，共选取100例，术后随访平均12月，比较两组之间在膝关节评分、髌骨评分以及术后膝前痛评分是否有统计学差异。

数据结果均采用SPSS23.0软件包进行分析，两组之间计量资料用均数±标准差（x±s）表示，采用t检验，计数资料的比较采用χ2检验，当P＜0.05有统计学意义。

结果：

在对不同髌骨截骨厚度对髌骨生物力学的影响分析中，3中姿态中，随着截骨厚度的增加，结构应力逐渐下降，但截骨厚度4mm以上时，结构应力变化在0°姿态和45°姿态中趋于平坦。

在对不同髌骨截骨厚度对膝关节置换术疗效影响分析中，人工膝关节置换术术后膝关节临床评分较术前评分明显提高，组间比较发现，与截骨厚度4mm组相比，1mm组膝关节临床评分改善幅度更大，其他组之间膝关节临床评分无差别；在髌骨评分方面，人工膝关节置换术术后髌骨评分较术前评分明显提高。

组间比较发现，与截骨厚度4mm组相比，1mm、2mm和3mm组膝关节临床评分改善幅度更大，其他组之间膝关节临床评分无差别；在术后膝前疼痛评分方面，人工膝关节置换术膝前疼痛评分较术前评分明显提高，组间比较发现膝关节膝前疼痛评分均无统计学意义。

结论：

随着截骨厚度的增加，膝盖骨与假体之间接触状态得到改善，载荷分布更为均匀，接触应力逐渐降低；全膝关节置换术中不同髌骨截骨厚度小于4mm可以可以改善膝关节功能评分、髌骨评分，在术后膝前痛评分无明显差异。

关键词全膝关节置换术；髌骨；KSS评分；髌骨评分；膝前疼痛

Abstract

Objective:

toestablishathree-dimensionalfiniteelementmodelofkneejointwithdata,andanalyzetheeffectofdifferentthicknessofpatellarosteotomyonpatellarstrainandpressureofpatellofemoraljoint,aswellastheeffectofdifferentthicknessofpatellarosteotomyontheeffectofkneejointreplacementinTKA.

Methods:

toreconstructthedataofkneejointandprosthesisbasedonthedataofspiralCT,andtosimulatedifferentoperationplansbySolidWorks,thentoestablishthefiniteelementmodelofkneejointindifferentosteotomyStates,torealizethebiomechanicalanalysisofdifferentosteotomyplans.PatientswithkneeosteoarthritiswhounderwenttotalkneearthroplastyintheorthopaedicdepartmentofourhospitalfromJuly2018toMarch2019wereincludedinthestudy.AccordingtothethicknessofpatellarosteotomyinTKA,1mm（G1group）,2mm（G2group）,3mm（G3group）,4（G4group）mmweredividedintofourgroups.25caseswererandomlyselected,atotalof100caseswereselected.Theaveragefollow-upwasDecember.TheresultswereanalyzedbySPSS23.0softwarepackage.Themeasurementdatabetweenthetwogroupswereexpressedbymean±standarddeviation（x±s）.Ttestwasused.χ2testwasusedtocomparethecountdata,whenp<0.05,therewasstatisticalsignificance.

Results:

intheanalysisoftheinfluenceofdifferentthicknessofpatellarosteotomyonthebiomechanicsofpatella,inthethreepostures,thestructuralstressdecreasedgraduallywiththeincreaseofthethicknessofosteotomy,butwhenthethicknessofosteotomyismorethan4mm,thestructuralstresschangestendtobeflatinthe0°posturesand45°postures.Intheanalysisoftheeffectofdifferentthicknessofpatellarosteotomyonthecurativeeffectofkneearthroplasty,theclinicalscoreofkneejointafterartificialkneearthroplastywassignificantlyhigherthanthatbeforetheoperation,andthedifferencebetweengroupswasfoundthatthethicknessofpatellarosteotomywas4mmComparedwithgroupA,theclinicalscoreofkneejointin1mmgroupimprovedmore,buttherewasnodifferenceamongothergroups;inpatellascore,thepatellascoreafterartificialkneereplacementwassignificantlyhigherthanthatbeforeoperation.Theresultsshowedthattheclinicalscoreofkneejointin1mm,2mmand3mmgroupsimprovedmorethanthatin4mmgroup,andtherewasnodifferencebetweentheothergroups.Intermsofpreoperativepainscore,thepreoperativepainscoreofartificialkneereplacementwassignificantlyhigherthanthatbeforeoperation,andtherewasnosignificantdifferencebetweenthetwogroups.

Conclusion:

withtheincreaseofosteotomythickness,thecontactstatebetweenthekneeboneandtheprosthesisisisimproved,theloaddistributionismoreuniform,andthecontactstressisgraduallyreduced;differentosteotomythicknessofthepatellalessthan4mmintotalkneearthroplastycanimprovethekneejointfunctionscoreandpatellascore,butthereisnosignificantdifferenceinthepreoperativekneepainscore.

Keywords：

totalkneearthroplasty;patella;KSSscore;patellascore;anteriorkneepain

前言

随着外科技术以及假体设计的进步，全膝关节置换术（TKA）在严重晚期膝关节病痛治疗中的应用越来越普遍，伴随TKA的普遍应用，术后有关髌股关节的并发症也越来越多。

髌骨与股骨髌面的紧密连接构成了髌股关节的主体结构。

当髌骨与股骨髌面对合不平整，并继发关节软骨的退变、骨关节炎和髌骨脱位，从而常常导致膝前痛。

髌股关节表面置换已被许多学者提倡用于改善全膝关节置换术（TKA）后的疼痛缓解和功能[1,2]。

但是髌骨表面置换一直是全膝关节置换术中一个有争议的问题[3]。

因为髌骨表面应变在髌骨表面修整后增加[4-8]，这可能导致髌骨骨折[9-12]和髌骨植入物松动[13]。

然而，对于安全的术后髌骨厚度，目前还没有一致的结论性证据表明，在没有髌骨骨折或植入物松动的情况下。

尽管对髌骨表面置换术的临床结果有许多结构良好的前瞻性研究和荟萃分析[14]，但这些研究大多没有报道髌骨厚度。

本研究旨在探讨术后髌骨厚度差对对髌骨关节生物力学及膝关节置换术疗效的影响。

第一部分人工膝关节置换术（TKA）中髌骨截骨厚度变化对髌股关节压力及髌骨应变影响

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成，膝关节的生物力学机制及其复杂，是人体关节中最复杂的关节之一，由于其独特的解剖结构、力学环境和承担的功能，使其成为最脆弱的关节之一。

随着外科手术技术和假体设计技术的进步，全膝关节置换术（TKA）已成为治疗严重膝关节炎的重要手段，该手术能够减轻患者的疼痛，改善关节功能，从而提高患者生活质量。

但是由于患者个体的原因，人工设计的假体很难与人体自身结构高度吻合，因此TKA术后有关髌骨的并发症成为TKA术后最普遍的后遗症。

膝关节假体植入的手术中，不同的手术方案实施不同截骨状态，也直接导致假体植入后骨骼的生物力学特性存在明显差异。

通常的力学试验手段基本上不直接应用于人体,而在尸体上进行试验又缺乏人体的生理环境,其试验结果并不十分准确。

计算机模型分析可通过对实验条件的控制,准确地模拟体内的力学情况。

因此建立计算机仿真模型成为该领域课题研究的先决条件。

关节力学实验没法直接在人体直接测试，因此有研究在尸体上进行关节力学研究，但尸体实验由于缺乏人体正常的生理环境而导致结果有偏差。

随着计算机模拟技术的进步，通过计算机对实验条件的精准控制，可以模拟人体力学环境。

本研究设计基于TKA术后因髌股关节并发症导致人工膝关节失效这一先决条件，基于螺旋CT数据对膝关节和假体开展数据重构，并通过SolidWorks模拟不同手术方案，进而，建立不同截骨状态的膝关节有限元模型，实现对不同髌骨截骨方案的生物力学特性分析。

1.1生物力学分析的技术流程

随着医学技术的快速发展，关节假体植入等手术变得相对普遍，有效弥补了传统治疗方法对股骨头坏死等疾病的缺陷，为病患带来了新的生活动力和生活希望。

同时，在关节置换或假体植入等相关手术方案的实际操作过程中，往往是凭借医师经验或现场发挥，导致相关手术方案执行完成后，病患部位工作状态欠佳，由于手术执行的不可逆性，一般不可能进行二次手术，即不存在有效的弥补手段。

因此，在制定手术方案和方案执行之前，研究人员基于数据重构、有限元等先进方法开展了相应研究，并获得了良好的效果。

为提高手术方案的可行性，亦为提高膝关节假体植入的有效性，针对特定病患的实际情况，开展了不同髌骨截骨方案的生物力学特性分析，具体技术路线如下：

图1-1生物力学特性分析技术路线

1.2膝关节数据重构与手术方案模拟

1.2.1基于CT数据的特征提取

CT是采用射线对人体病患部位以指定厚度的层面进行逐层扫描，并将投射过该层面的射线接收并转换为电信号，再经模拟/数字转换器转换为数字信号，通过计算机的后处理，获得被检查部位的断面或立体的图像。

Mimics是医学影像领域常用的软件环境，其本身是一套高度整合且易用的3D图像生成及边界处理软件，它能输入各种扫描的数据（CT、MRI），建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD、FEA、RP格式，可以在计算机上进行大规模数据的转换处理。

本文亦是采用Mimics软件环境实现病患部位CT的数据提取：

（1）明确研究对象和研究主体；

（2）确定研究对象的特征阈值；

（3）导出标准stl格式集合数据；

图1-2Mimics软件环境

1.2.2基于Geomagic的膝关节数据重构

鉴于通过CT数据直接提取的膝关节数据无法直接较为粗糙，无法直接用于后续建模和研究，需对之进行预处理。

本文采用逆向软件Geomagic换件，对提取数据开展了相应修复，具体包括：

自相交修复、高度折射边删除、钉状物删除、小组件删除、空洞填充等。

为最大程度保留结构本身特性，通过提取轮廓线、构建曲面片、构建栅格、曲面拟合等操作，实现对几何模型的曲面特征构建。

图1-3膝关节提取原始数据

图1-4膝关节曲面化模型

1.2.3基于三维软件的手术方案模拟

为满足研究需求，论文基于膝关节重构的相关数据，建立膝关节相关研究组分的三维模型。

结合研究需求，后续研究中以膝盖骨、股骨、假体为研究主体。

图1-5膝盖骨

图1-6股骨

图1-7膝关节假体

图1-8膝关节-假体装配体

1.3基于有限元的生物力学特性分析

为充分研究不同髌骨截骨方案的生物力学特性，论文基于Workbench19R3计算环境建立膝关节的有限元模型，且通过静力学分析计算模块，开展膝关节活动范围（0°、45°、90°）的力学特性分析。

有限元建模过程中，根据相关文献和材料实际力学特性的相关数据，针对研究对象开展材料属性定义、网格划分、边界条件约束（包括载荷施加、接触定义、位移约束）等工作。

1.3.1材料属性

为最大程度模拟研究对象在实际生物力学状态下的工作边界，有限元模型中主要考虑膝盖骨、股骨、假体三部分的材料属性，其中考虑了膝盖骨、股骨的皮质骨属性和假体的钴铬合金属性。

各材料组分的材料属性见下表：

表1-1有限元模型材料属性

材质

弹性模量

泊松比

皮质骨

17GPa

0.3

钴铬合金

214GPa

0.3

1.3.2网格划分

基于所建立的实体模型，构建有限元分析的网格数据。

为保证分析计算精度，采用实体网格自适应划分方式实现对该不规则结构的网格划分，且对接触区域和局部结构施加网格控制，最大程度保证网格质量满足分析需要。

该模型共计划分网格21.2万，构建网格节点36.5万。

模型网格划分情况如下图所示：

图1-9网格数据模型

1.3.3边界条件

为最大程度模拟手术方案后病患部位的力学特性，在模型各部分之间施加接触约束，骨骼截断面施加固定约束，膝盖骨根据0°、45°、90°方向施加静载荷200N。

接触约束情况具体如下：

在膝盖骨与假体之间采用绑定接触约束，假体与股骨之间同样采用绑定接触约束。

1.3.4有限元分析

基于材料属性、接触边界、位移边界和模拟载荷的网格数据，充分尊重结构力学关系的前提下，开展结构静力学分析。

根据手术方案，分别开展了0°、45°、90°三个姿态下的力学特性分析，且每个姿态下又分为0mm、2mm、4mm、6mm截骨厚度四个工况，共计分析12个算例。

工况1：

0°姿态-0mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-10整体解结构应力分布

图1-11膝盖骨应力分布

工况2：

0°姿态-2mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-12整体应力分布

图1-13膝盖骨应力分布

工况3：

0°姿态-4mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-14整体应力分布

图1-15膝盖骨应力分布

工况4：

0°姿态-6mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-16整体应力分布

图1-17膝盖骨应力分布

工况5：

45°姿态-0mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-18整体应力分布

图1-19膝盖骨应力分布

工况6：

45°姿态-2mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-20整体应力分布

图1-21膝盖骨应力分布

工况7：

45°姿态-4mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-22整体应力分布

图1-23膝盖骨应力分布

工况8：

45°姿态-6mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-24整体应力分布

图1-25膝盖骨应力分布

工况9：

90°姿态-0mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-26整体应力分布

图1-27膝盖骨应力分布

工况10：

90°姿态-2mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-28整体应力分布

图1-29膝盖骨应力分布

工况11：

90°姿态-4mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-30整体应力分布

图1-31膝盖骨应力分布

工况12：

90°姿态-6mm截骨厚度手术方案生物力学特性分析结果如下:

图1-32整体应力分布图1-33膝盖骨应力分布

1.4结果分析

从医患角度出发，明确关节置换或假体植入之后，由于假体结构采用的是钴铬合金，材料的硬度、强度都远高于人体骨骼的皮质骨，故在病患部位的生活使用中，研究人员更关心膝盖骨的力学特性。

结合有限元分析计算，三种姿态十二种工况条件下，膝盖骨最大应力值如下表所示：

表1-2膝盖骨最大结构应力

截骨厚度

结构应力

结构应力

结构应力

mm

MPa

MPa

MPa

0°姿态

45°姿态

90°姿态

0

12.63

7.3

20.07

2

6.78

5.11

10.99

4

5.86

2.93

6.25

6

6.71

2.25

1.52

图34不同截骨厚度的膝盖骨最大结构应力走势图

从不同截骨厚度的膝盖骨最大结构应力走势分析，可发现：

3中姿态中，随着截骨厚度的增加，结构应力逐渐下降，但截骨厚度4mm以上时，结构应力变化在0°姿态和45°姿态中趋于平坦。

以上结果提示：

随着截骨厚度的增加，结构应力逐渐下降,但在一定厚度后，结构应力变化不明显。

其原因可能是在未截骨状态下，由于膝盖骨与假体之间接触状态欠佳，导致局部接触应力较大；随着截骨厚度的增加，膝盖骨与假体之间接触状态得到改善，载荷分布更为均匀，接触应力逐渐降低；不同姿态下，膝盖骨与假体之间的载荷关系存在一定变化，一味增加截骨厚度特定情况下可能无法有效降低接触应力。

本章基于螺旋CT数据对膝关节和假体开展数据重构，进而建立考虑假体植入的膝关节生物力学特性有限元模型，并分别模拟不同手术方案的实际工作状态，研究了截骨厚度对膝关节生物力学特性的影响，并以膝盖骨最大结构应力为考量指标，提出了可指导实际手术方案执行的相关结论。

第二部分人工膝关节置换术（TKA）中不同髌骨截骨厚度之间疗效的病例对照研究

人工膝关节置换术（totalkneearthroplasty，TKA）已成为一种较成熟的治疗严重膝关节疾病的手术方法，可有效矫正改善关节功能和畸形，减轻疼痛。

近年来，随着医疗技术的进步，人工膝关节置换术后股骨与胫骨假体并发症的发生率已明显降低，但髌骨与髌骨假肢并发症导致部分患者术后效果不佳，以膝前痛，髌股关节功能障碍，骨折，假肢松动等并发症最为常见[15]。

造成上述并发症的原因很多，最主要的原为受髌股关节及髌骨、髌骨假体界面应力的影响，其中髌骨厚度的变化是影响髌股关节及髌骨、髌骨假体界面应力最主要的因素。

引起这些并发症的原因有很多，髌骨和髌骨假体的界面应力是其中最主要的因素，其中髌骨截骨厚度的变化又是影响髌骨和髌骨假体的界面应力的最重要因素。

因此对人工膝关节置换术（TKA）中不同髌骨截骨厚度对手术疗效的影响进行研究，可以为手术中对髌骨截骨厚度提供临床依据[16-17]。

然而，目前这方面的研究较少，各项研究之间对术中髌骨截骨厚度的意见并不一致，尚存在诸多争议[18-20]，因此本研究采用病例对照研究，对人工膝关节置换术（TKA）中不同髌骨截骨厚度之间疗效进行研究。

1资料与方法

1.1一般资料

本研究以2018年7月～2019年3月在本院骨科实施全膝关节置换术的膝关节骨关节炎患者为对象。

按TKA术后髌骨截骨厚度1mm（G1）、2mm（G2）、3mm（G3）、4（G4）mm分为四组，随机选取各25例，共选取100例，四组患者术前临床资料比较具有可比性（P<0.05）。

1.2纳入与排除标准

纳入标准：

①因为膝关节骨性或类风湿性关节炎行TKA的患者；②行单侧TKA的患者。

排除标准：

①髌骨关节障碍的患者；②既往有伸膝装置手术史的患者；③合并其他关节功能障碍的患者。

1.