牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)髓內(nèi)定位誤差的有限元分析

徐成，南少奎，李海峰，張棟

(解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心骨科，北京 100048)

牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)(Oxford unicompartmental knee arthroplasty，OUKA)如今已成為治療膝關(guān)節(jié)單間室病變的有效手段，其手術(shù)適應(yīng)證包括膝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎、膝關(guān)節(jié)特發(fā)性骨壞死[1]。

牛津單髁假體是一種活動墊片假體，特殊設(shè)計使其聚乙烯墊片的磨損極低，但也由此造成固定墊片假體沒有的并發(fā)癥——墊片脫位[2]。將股骨假體安裝在良好的位置可以明顯減少脫位等并發(fā)癥[3]。為此，牛津的學(xué)者們設(shè)計了一種全新的MP手術(shù)器械系統(tǒng)，希望以此來獲得良好的假體植入位置[4]，即在冠狀位平面上，股骨假體的縱軸需平行于股骨力線軸，而股骨的力線軸和解剖軸(髓腔中心軸線)之間的夾角約為7°[5](見圖1～2)。據(jù)此，牛津MP器械系統(tǒng)在植入股骨假體時使用的是髓內(nèi)定位系統(tǒng)植入股骨髓腔桿來定位股骨解剖軸線，使用音叉裝置將髓腔桿與股骨鉆孔導(dǎo)向器連接，使6 mm鉆頭與髓腔桿在冠狀面上呈7°角，在矢狀面上呈10°角，這使股骨假體在冠狀面上軸線與股骨力線平行，在矢狀面上呈10°后傾。所以，髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)的擺動角度直接影響著股骨假體的位置。

由于個體差異，股骨髓腔寬度、形態(tài)因人而異，也與年齡、性別相關(guān)[6-7]，所以髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)的方向并不是嚴(yán)格的股骨解剖軸。髓腔桿在股骨內(nèi)有一定范圍的擺動，這種擺動可能會對股骨假體位置產(chǎn)生影響。本研究利用CT數(shù)據(jù)建立股骨三維模型，對髓腔桿在股骨內(nèi)的擺動進(jìn)行有限元分析，現(xiàn)將分析過程及結(jié)果報道如下。

圖1 髓腔桿和假體鉆孔器在冠狀面與矢狀面上呈一定夾角 圖2 股骨假體縱軸與機(jī)械軸平行，矢狀面上呈10°后傾

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇我科2019年1月至2019年10月行牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)的患者23例26膝，其中男8例(9膝)，女15例(17膝)；平均年齡為(65.9±11.1)歲；平均身高為(163.5±10.3)cm；平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)為(25.1±4.2)kg/m2；左膝10例，右膝10例，雙膝3例。術(shù)前使用64排螺旋CT行全股骨CT檢查。

1.2 模型建立 根據(jù)臨床常用髓腔桿數(shù)據(jù)，使用Solidworks 2016軟件建立直徑為4.2 mm、總長為30 cm和20 cm兩種髓腔桿模型。將患者股骨薄層CT圖像(Dicom格式，掃描層距0.625 mm)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件中獲得股骨皮骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立髓腔中空的股骨三維模型(見圖3～4)。

利用3-Matics 13.0軟件，對股骨和髓腔桿進(jìn)行裝配。根據(jù)牛津MP操作器械系統(tǒng)推薦，沿股骨髁間窩內(nèi)側(cè)壁向前作延長線，在該線上選擇距離髁間窩前內(nèi)側(cè)緣1 cm為開髓點(diǎn)置入髓腔桿(見圖5)，調(diào)整置入點(diǎn)和置入角度(見圖6)。利用Geomagics 2014軟件對股骨模型進(jìn)行優(yōu)化并擬合曲面，輸出IGES文件。將裝配、優(yōu)化后的文件，導(dǎo)入Ansys Workbench 19.1軟件，利用顯示動力學(xué)模塊進(jìn)行下一步分析。

圖3 使用Mimics軟件建立股骨三維模型 圖4 使用Solidworks 2016軟件建立髓腔桿模型

圖5 模擬置入髓腔桿位置 圖6 調(diào)整髓腔桿的角度使其不與股骨皮質(zhì)重合

1.3 角度測量 在Ansys Workbench 19.1軟件內(nèi)，進(jìn)行兩種髓腔桿偏移角度的測量。約束股骨皮質(zhì)表面，利用Joint運(yùn)動副模擬髓腔桿與股骨遠(yuǎn)端接觸部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，于髓腔桿頂端分別施加18個方向應(yīng)力，每個方向之間間隔20°，當(dāng)髓腔桿與股骨內(nèi)壁接觸并停止時，獲取髓腔桿頂點(diǎn)等效位移。設(shè)定0°方向為冠狀面向右方向(見圖7～8)，我們定義股骨內(nèi)外髁和股骨大粗隆最后緣的三個點(diǎn)所構(gòu)成的平面為冠狀面，垂直于冠狀面且經(jīng)過股骨機(jī)械軸的平面為矢狀面。

利用Solidworks軟件建立髓腔桿在股骨內(nèi)活動范圍示意圖(見圖9～10)，其中A為髓腔桿尖端在冠狀面最大擺動距離，B為矢狀面最大擺動距離，P為髓腔桿插入髓腔內(nèi)長度。分別計算髓腔桿在矢狀面和冠狀面上的最大擺動范圍(見圖11)。Sin(α/2)=(A/2)/P，所以冠狀面擺動角α=2×arcsin(A/2)/P，同理矢狀面擺動角β=2×arcsin(B/2)/P。

圖7 劃分網(wǎng)格后將模型導(dǎo)入Ansys軟件 圖8 獲取髓腔桿頂點(diǎn)等效位移

圖9 30 cm髓腔桿擺動范圍圖 圖10 20 cm髓腔桿擺動范圍圖 圖11 最大擺動距離測量示意圖

2 結(jié) 果

測量30 cm髓腔桿在髓腔矢狀面擺動最大范圍(1.10±0.72)°，冠狀面擺動最大范圍(0.85±0.55)°，3例30 cm髓腔桿無法完全插入股骨髓腔的情況。20 cm髓腔桿在股骨髓腔矢狀面擺動最大范圍(4.36±0.95)°，冠狀面擺動最大范圍(3.77±1.00)°。同一種髓腔桿在矢狀面擺動的最大范圍均大于冠狀面的擺動范圍，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，見表1)。

表1 兩種髓腔桿在髓腔內(nèi)矢狀面和冠狀面上的最大擺動角度

在矢狀面和冠狀面上，30 cm髓腔桿擺動的最大范圍均明顯小于20 cm髓腔桿，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。而且30 cm髓腔桿和20 cm髓腔桿在兩個平面上的擺動范圍具有顯著相關(guān)性(見表2)。

表2 髓腔桿擺動角度與桿長、擺動平面的相關(guān)性分析

3 討 論

牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)MP操作系統(tǒng)使用髓內(nèi)定位的方法植入股骨假體，其髓內(nèi)定位精確性影響著股骨假體植入位置。與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)不同的是，OUKA開髓點(diǎn)更偏內(nèi)側(cè)，在髁間窩內(nèi)側(cè)壁沿長線上，距股骨髁間窩前內(nèi)側(cè)1 cm處，使用的髓腔桿更細(xì)。MP系統(tǒng)提供了兩種長度的髓腔桿：20 cm、30 cm。股骨假體縱軸需平行于股骨力線軸，而股骨髓腔中線與力線軸呈7°夾角。因此，髓腔桿定位精度直接影響著股骨假體的植入位置。Kang等[8]使用有限元分析的方法對OUKA術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)股骨假體內(nèi)外翻會對襯墊磨損、外側(cè)間室退變、內(nèi)側(cè)副韌帶張力產(chǎn)生影響，當(dāng)內(nèi)外翻超過9°時影響尤為明顯。

本研究模擬了OUKA術(shù)中置入股骨髓腔定位桿的操作，建立了髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)擺動的有限元模型。通過該模型測量了20 cm和30 cm兩種長度髓腔桿在髓腔內(nèi)的擺動范圍。蔡俊豐等[9]報道了使用Mimics建立股骨三維模型，并手動測量髓腔桿擺動范圍，結(jié)果顯示30 cm髓腔桿擺動角度范圍冠狀位(0.50±0.27)°，矢狀位(0.86±0.39)°，該結(jié)果與我們的測量結(jié)果接近。由于股骨髓腔形狀不規(guī)則，且存在前弓，所以基于目視手動測量的方法無法精確找到髓腔桿在冠狀面和矢狀面上的最大擺動范圍。我們使用有限元分析的方法，通過加力使髓腔桿在髓腔內(nèi)任一位置向18個方向運(yùn)動，碰觸到髓腔內(nèi)壁后停止并獲得桿尖端的位移，由此可以近似繪出髓腔桿在髓腔內(nèi)的活動范圍圖，該范圍在矢狀面的投影即為髓腔桿在矢狀面上的最大擺動范圍，在冠狀面上的投影為髓腔桿在冠狀面上的最大擺動范圍(見圖12～13)。該方法可以更為精確地獲得髓腔桿在兩個方向上的最大擺動角度。

我們在研究中發(fā)現(xiàn)，20 cm髓腔桿插入股骨后其尖端均無法達(dá)到股骨峽部，而30 cm髓腔桿尖端則明顯超過股骨峽部。Su等[10]建立了426例股骨三維模型，顯示股骨存在向前外側(cè)方向的彎曲，這種股骨前外弓限制了30 cm髓腔桿向股骨后內(nèi)方向的擺動，故其在股骨矢狀面的擺動范圍明顯小于股骨峽部髓腔前后徑，對于某些股骨前弓較大、峽部髓腔較窄的患者，存在髓腔桿無法完全插入髓腔的情況。但在術(shù)中并未發(fā)現(xiàn)髓腔桿無法完全插入的情況，推測可能是因為髓腔桿直徑較細(xì)，推進(jìn)中產(chǎn)生輕度形變從而適應(yīng)髓腔形態(tài)。Yang等[11]使用術(shù)中透視的方法對插入股骨的髓腔桿進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)12例(占總研究病例的24%)患者插入股骨的髓腔桿存在大于1°的成角形變。這也印證了我們的觀點(diǎn)。對于這部分患者，30 cm髓腔桿便不太適用，術(shù)中可能發(fā)生髓腔桿穿破皮質(zhì)造成骨折的風(fēng)險。我們對30 cm髓腔桿和20 cm髓腔桿擺動角度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在同一平面上，兩種髓腔桿的擺動范圍是明顯相關(guān)的，當(dāng)30 cm髓腔桿擺動較小時，20 cm髓腔桿的擺動范圍也較小。對于30 cm髓腔桿無法完全插入的患者，可以改用20 cm髓腔桿進(jìn)行手術(shù)。

圖12 30 cm髓腔桿擺動范圍模式圖 圖13 20 cm髓腔桿擺動范圍模式圖

本研究測量結(jié)果顯示20 cm髓腔桿在髓腔內(nèi)的擺動角度明顯大于30 cm髓腔桿，這與預(yù)期結(jié)果是一致的，也和文獻(xiàn)的結(jié)果一致[12]。如前所述，20 cm髓腔桿插入股骨后其尖端均無法達(dá)到股骨峽部，而30 cm髓腔桿尖端則明顯超過股骨峽部，同時20 cm桿在髓腔內(nèi)擺動時不受股骨前外弓的影響，所以其尖端活動范圍接近髓腔內(nèi)徑，這也使其擺動范圍明顯大于30 cm桿，這會導(dǎo)致部分髓腔寬的患者其股骨假體植入位置偏差過大。就像前文所說，股骨前弓和峽部直徑可能會對髓腔桿的擺動范圍產(chǎn)生明確影響，但是我們目前的研究無法證實，希望進(jìn)一步研究加以證明。

本研究建立了髓腔桿在髓腔內(nèi)擺動運(yùn)動的有限元模型，并證明使用30 cm髓腔桿所產(chǎn)生的擺動誤差明顯小于20 cm髓腔桿，其定位更加精確，但對于身材矮小的患者可能出現(xiàn)30 cm髓腔桿無法完全插入或者插入后髓腔桿變彎，對于這類患者我們推薦使用20 cm髓腔桿。