膝关节单间室假体置换的生物力学研究

膝关节是骨性关节炎的高发区域,这与膝关节的独特功能有关,一方面它是人体主要的承重器官,另一方面膝关节软骨组织的磨损后修复慢,并且该过程是不可逆。因此,在人体膝关节发生病变时,尤其是单间室发生病变时,如何进行治疗才能使患者能够正常生活,是国内外骨科医生关注的焦点。本文分别从有限元仿真和实验分析两个角度对膝关节单髁置换进行了相关研究,分析总结了单髁置换前后膝关节的生物力学变化情况。整个研究主要包括三大部分:人体全膝关节模型的建立及验证,不同截骨参数(内外翻角,纵向截骨深度、内侧胫骨平台截骨厚度)对单髁置换后膝关节的生物力学响应,膝关节单髁置换前后的实验分析。人体全膝关节模型的建立是基于一名健康志愿者左下肢的CT图像和MRI图像。本章通过将多种软件相互结合,硬骨直接利用CT复原,其他软组织通过人为制作的方式获取,以这种创新、高效的方式建立了精细的膝关节模型,大大提高了建模效率。该模型包括:股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、腓骨软骨、半月板、内外侧韧带、十字韧带、髌韧带。并且,以两种不同加载方式对模型进行了有效性验证。验证方式一是在1000N竖直载荷下,膝关节各个软骨组织的应力分布、内外侧间室载荷的分布、半月板的应力分布情况等。验证方式二是模拟临床中的抽屉效应,即对膝关节胫骨近端中点施加134N推力,方向向前,然后统计胫骨上端的位移变化情况,同时统计十字韧带及内外侧韧带的应力分布。最后,通过统计分析两种验证方式的结果,均与现有文献及实验结果相接近,从而模型的有效性得到了验证,为后续深入研究打下了基础。在健康全膝关节模型基础上形成不同截骨参数对单髁置换后膝关节的有限元分析。结合临床中牛津膝单髁置换常见的并发症,通过有限元软件,模拟了不同截骨参数植入单髁假体,包括:不同内外翻角度对单髁置换的有限元分析,胫骨纵向过切深度不同对单髁置换的有限元分析,胫骨平台不同截骨厚度对单髁置换的有限元分析。并且,为更加真实模拟人体膝关节在行走过程中的力学分布特点,通过Life MOD模拟出人体在正常步态过程中膝关节的关节力,并将此结果作为所有模型的边界载荷。通过分析统计发现,不同截骨参数单髁假体植入后,膝关节各个组织的生物力学情况分布有着明显的差异。并且,考虑到患者的个体差异,单髁置换后高发的并发症,以及骨科医生对于手术操作的熟练程度等,本研究给出了在临床单髁置换中各个截骨参数的推荐值,比如:内外翻角度在外翻2°到内翻5°最为适宜,纵向截骨最大过切深度不能超过3mm,内侧胫骨平台截骨误差不能超过±2mm。膝关节单髁置换前后的实验分析则是基于第四代人工复合骨。根据胫骨的尺寸大小,选择合适的单髁假体,并邀请经验丰富的骨科医生将单髁假体植入健康的膝关节。通过动态应变测量系统和I-Scan压力测量系统分别测量了单髁置换前后相同感兴趣区域的骨应变分布情况,以及内外侧间室的载荷分布情况等。通过将结果数据整理发现,单髁置换前后膝关节的生物力学情况发生了显著的变化。同时,我们将实验结果与有限元结果进行了对比分析,发现在标定的感兴趣区域实验所得数据与有限元仿真所得的数据基本吻合。这也从另一个方面验证了有限元分析的可靠性,达到了实验分析与数值模拟相互验证的目的。综上所述,单髁置换前后膝关节的各个组织的应力应变分布情况都会发生明显变化;并且不同的截骨参数对单髁置换的效果有着明显的影响,甚至直接影响着单髁置换治疗效果。