不同骨密度对膝关节单髁置换后关节内各结构影响的三维有限元分析

背景：骨质疏松症是膝骨关节炎患者的常见合并症，不同骨密度对单髁置换的预后有何种影响是目前研究的热点。目的：通过有限元法研究不同骨密度对内侧固定平台单髁置换后关节内各结构应力大小及分布的影响，评估骨质疏松与并发症的相关性。方法：利用CT、MRI获取1名志愿者的下肢影像数据，通过Geomagic Studio、Ansys workbench、Mimics等软件构建正常骨质的膝关节有限元模型(T值≥-1.0)，通过改变材料参数建立骨质减少(-2.5 <T值<-1.0)和骨质疏松(T值≤-2.5)的膝关节有限元模型，并验证有效性。使用布尔运算模拟单髁置换，得到3组骨质的单髁置换模型，在3组模型的股骨髁中心施加垂直向下的1 000 N载荷，观察并比较各模型中半月板、胫骨软骨、聚乙烯衬垫表面、胫骨假体下皮质骨和松质骨表面的应力数据，以及聚乙烯衬垫和胫骨假体下松质骨的应变数据。结果与结论：(1)相较于正常骨质组和骨质减少组，骨质疏松组半月板和聚乙烯衬垫表面的应力峰值更大，胫骨软骨的应力峰值更小；(2)在3组模型中，胫骨假体下皮质骨表面的高应力值随骨质的减少而增大，应力集中于皮质骨的内侧缘，胫骨假体下松质骨表面的高应力值随骨质的减少而降低，应力集中于松质骨的后内侧以及龙骨凹槽的弧形底面；(3)骨质疏松组聚乙烯衬垫、胫骨假体下松质骨的应变大于正常骨质组和骨质减少组；(4)骨质疏松会引起单髁置换后膝关节内部结构的生物力学异常，可能会增加并发症的发生率、提高翻修的风险。