单髁置换术固定平台假体对膝关节自发性骨坏死的生物力学研究进展

Advances in Biomechanical Research on Fixed-Bearing Unicompartmental Knee Arthroplasty for Spontaneous Osteonecrosis of the Knee

摘要: 膝关节自发性骨坏死是一种由于局部血液供应中断导致的骨组织坏死，其晚期严重影响患者的生活质量。而针对这种疾病，单髁置换术作为一种保膝手术，已逐渐成为治疗晚期膝关节自发性骨坏死的有效手段。然而，该手术的预后受到多种因素的影响，尤其是与骨坏死的大小和骨水泥套层应力分布的变化密切相关。有限元分析作为一种工程数学方法，通过模拟材料或结构在不同条件下的力学行为，可为膝关节自发性骨坏死的研究和治疗提供了有力工具。本文旨在探讨采用有限元分析方法研究单髁置换术固定平台假体在治疗膝关节自发性骨坏死的术后并发症和临床意义，为临床实践提供理论依据。

Abstract: Spontaneous Osteonecrosis of the Knee (SONK) is a condition characterized by necrosis of bone tissue due to interruption of local blood supply, which severely affects patients’ quality of life in its advanced stages. As a knee-preserving procedure, unicompartmental knee arthroplasty (UKA) has gradually emerged as an effective treatment for advanced spontaneous osteonecrosis of the knee. However, the prognosis of this surgery is influenced by various factors, particularly the size of the osteonecrosis and changes in stress distribution within the cement mantle. Finite element analysis, as an engineering mathematical method, simulates the mechanical behavior of materials or structures under different conditions and provides a powerful tool for the study and treatment of SONK. This paper aims to investigate the postoperative complications and clinical implications of using fixed-bearing UKA in the treatment of spontaneous osteonecrosis of the knee through finite element analysis, thereby providing a theoretical basis for clinical practice.

1. 引言

膝关节自发性骨坏死(spontaneous osteonecrosis of the knee, SONK)是一种进行性骨破坏疾病，在1968年由Ahlback [1]等首次提出，当时他注意到“一种软骨下骨射影可透过的病变”。如今，SONK被认为是一种相对常见的疾病，通常被描述为局灶性软骨下病变，可能导致膝关节终末期骨性关节炎[2]。在最新的放射学出版物中，指出SONK是一种已经发展为塌陷的软骨下功能不全骨折(SIF) [3]。迄今为止，已有研究证实SONK与女性性别、年龄、软骨变性、低骨密度和内侧半月板后根撕裂有关[1] [4]-[7]。SONK多见于55岁以上的女性，其中女性的发病率几乎是男性的3~5倍[8]-[10]。其主要的临床特征是无明显诱因下突然发作的一侧膝关节内侧剧烈疼痛和肿胀，通常在负重和夜间时疼痛加重，休息后症状有所缓解。股骨内侧髁触诊时局灶性压痛是SONK患者最常见的表现[11]。患者既往无长期激素使用史、过量饮酒及血液病等明确的骨坏死诱因。

SONK治疗方法较多，主要包括药物治疗、关节镜下钻孔减压、软骨移植、膝关节单髁置换术(UKA)和全膝关节置换术(TKA)。由于患者诊治时该疾病多进展为晚期，所以临床上多选择关节置换术作为其主要治疗措施。SONK病变以单间室受累为主要特征，多发生于股骨内侧髁负重面，很少累及多个间室。因此，当膝关节交叉韧带完整且外侧间室未受累的情况下，通常将UKA作为SONK最合适的治疗方案[12]。关于UKA在SONK中的应用已有诸多临床报道[13] [14]。

2. UKA治疗SONK的研究现状

针对膝关节单髁置换术来讲，它是非常典型的膝关节置换术，根据垫片设计理念不同，UKA采用活动平台(mobile bearing, MB)和固定平台(fixed bearing, FB)两种不同的假体。这种手术方式很大程度上继承了常规膝关节所表现出的特性[15]，与全膝关节置换术进行对比，其创伤不大、自身骨质丢失少、恢复期短、活动度恢复好[16]，是治疗单间室膝关节病变的有效方法[17]-[19]。在上世纪90年代初，人工假体的设计较为简易导致很多功能无法实现，因此手术失败率近12.5% [20]。但伴随设计技术的成熟，UKA的成功率也逐渐升高，主要通过单髁置换技术对内侧间隙骨性关节炎展开治疗，这种方法在欧美国家得到了有效推广[21] [22]，相关数据显示，只要能够对手术指征进行有效的掌握，通过单髁置换技术对骨关节炎能够发挥十分出众的治疗效果，而且假体生存率也更为理想[23]-[25]。

Foran等学者[26]在进行实验分析的过程中，对大量SONK病人接受UKA的实际疗效展开研究，得到的数据显示，病人接受手术之后6年美国特种外科医院评分(Hospital for Special Surgery, HSS)优良率大概为98%，只有1例出现翻修的情况；除此之外，病人接受手术之后15年HSS优良率大概为69%，取得的效果十分理想。结合Koshino [27]分期法，Heyse等学者[13]对大量影像学分期为Kashino III~IV的SONK病人展开研究，在随访10.9年之后，膝关节功能评分(Keen Society Score, KSS)从术前(85 ± 30)分不断提升至(173 ± 27)分，10年生存率大约为93.1%，病人对手术治疗的满意度大幅度提升。Bruni等学者[14]在进行研究分析的过程中，对大量SONK晚期病人接受UKA之后的疗效展开研究，得到的数据表明，在接受UKA之后，病人KSS评分有效增加至(87.1 ± 13.8)分，而相应的视觉模拟评分(Visual Analogue Scales，VAS分数)也减少至(1.7 ± 2.5)分，10年生存率大约为89%。Heyse等学者[28]经过长期研究，对52例目标患者随访6~15年，美国膝关节协会评分从接受手术之前的(85 ± 30)分增加到(173 ± 27)分，其假体在10年内的生存率大致为93.1%。

3. FB-UKA的临床应用现状

TKA一直以来被公认为治疗膝OA的“金标准”。然而近年来，随着UKA的不断优化，其临床应用也逐渐增多，2023年美国关节置换登记处年度报告显示，近5年UKA在初次膝关节置换术中的占比约为4% [29]。大量临床研究数据显示，UKA取得了良好的中长期随访结果，UKA术后7年的假体生存率为74.4%~80.9%，TKA的假体生存率为91.9%~95.7% [30]。UKA所采用的FB假体是将聚乙烯垫片通过锁定机制固定到胫骨假体上，股骨假体在垫片表面滑动，其设计理念与TKA假体相似；另一种所采用的MB假体的两个面能够同时与胫骨假体、股骨假体高度匹配，在膝关节屈伸活动时可以随股骨假体在胫骨假体上滑动及内外旋转。FB假体不能充分分散应力，假体锁定区负荷过重，反复微动，从而增加磨损；MB假体凭借其与胫骨假体、股骨假体的高度适配，能够更好地恢复膝关节的自然运动轨迹、充分分散应力，从而减少磨损，理论上可以提高假体生存率[31] [32]。Migliorini [33]等认为FB-UKA与MB-UKA在术后膝关节功能、假体生存率、假体翻修率和翻修原因方面的差异均无统计学意义。Burger等[34]的系统综述纳入28项研究共2265例UKA患者，与FB假体相比，MB假体的翻修率更高，但临床效果差异无统计学意义。笔者一项关于UKA的回顾性分析显示，MB-UKA患者可获得较高的关节遗忘评分(forgotten joint score, FJS)，而垫片脱位率和翻修率均较FB-UKA患者高，但术后两组间膝关节活动度、疼痛视觉模拟评分、美国特种外科医院膝关节评分等差异均无统计学意义[35]。研究认为，FB-UKA的术后功能满意、并发症发生率低、手术翻修率低，是治疗终末期膝内侧间室OA的良好选择。

4. FB-UKA在SONK中常见的术后并发症

当SONK发展至软骨下骨塌陷阶段时则需要进行UKA。与TKA相比，UKA通过保留前后交叉韧带和以及更多的骨量，使其保留更多的原生关节运动学和本体感觉。尽管有研究表明UKA是治疗SONK的可靠方法，然而UKA治疗SONK与MOA的疗效是否有差异还存在争议。有研究发现行UKA治疗的部分患者术后出现了假体的松动和脱位等，少数患者行TKA翻修治疗。CHALMERS等[35]对45例(46膝)单髁置换治疗的SONK患者进行平均5年(2~12年)的随访，研究发现单髁置换假体10年和15年翻修率均为7%，其中2例由于外侧间室病变加剧而翻修，1例因为股骨外侧坏死病变进展而翻修。Bruni等[14]对84例SONK患者进行了平均98个月的随访，共进行了10例翻修手术：4例因胫骨假体下沉，3例因胫骨假体无菌性松动，1例因股骨假体无菌性松动，1例因胫骨内侧骨折，1例因假体感染，没有患者因膝关节外侧间室和髌股间室的进展而行翻修。此外，有研究发现SONK导致的坏死区域较大时进行UKA时需慎重。Choy等[30]报道了1例发生股骨假体松动，该病例术前坏死区域占比49.3%，且体积较大(22.8 cm³)。

FB-UKA在sonk术后常见的并发症之一为股骨关节假体无菌性松动或脱位，其发生机制主要包括：(1) 生物性因素：磨损颗粒、趋化因子、Toll样受体、自噬、细菌病原体相关分子模式和细菌副产物；(2) 机械性因素：骨水泥和种植体设计、下肢力线、应力遮挡效应。结合临床实践发现，其中机械性因素中的骨水泥为其主要因素[36]。

因此，当骨坏死体积多大时，选择行UKA治疗时，其超过骨水泥套层所能承受的最大应力，则行UKA治疗术后并发症发生率高，进而选择TKA进行治疗，缺乏此类相关研究的理论依据。

5. 有限元仿真在生物力学研究中的应用进展

在上个世纪七十年代之后，该方法逐步在骨科生物力学方面进行应用[37] [38]，最开始主要应用于脊柱，而在上个世纪八十年代之后，其应用区间得到进一步拓宽。在1972年，Brekelmans等学者[39]经过大量研究，对股骨内部应力分布的整体状况进行分析，其得到的结果为骨科生物力学的相关研究提供了重要的依据。与西方国家进行对比，我国在该领域的研究具有一定滞后性。在2005年，赵峰等学者[40]经过大量的研究分析，将Mimics与Ansys进行有效衔接，进而构建了标准化的三维有限元模型。除此之外，姜海波等学者[41]经过长期研究，以CT扫描为基础，提出在进行运算的过程中可以将股骨视为分布较为理想的材料，进而对其展开更深入的分析。因为骨骼是通过若干材料构建的复合体，并且此类材料很大程度上表现出非均匀性的特点，因此，有一部分学者将股骨材料属性划分为多种类型，进而对其展开有限元分析[42]。当前来讲，该方法在我国实现了有效推广，并获得了丰富的学术与实践成果。相关学者以不同的临床角度作为切入点，对各类问题构建了规范化的力学模型，进而仿真分析多样性的临床问题，得到的学术成果对临床治疗工作提供了诸多帮助，表现出不可忽视的指导意义。

有限元分析通过建立人体有限元模型，赋予模型材料力学性质，同时模拟人体力学条件，进行人体结构的应力、应变及模态分析，是仿真人体结构力学功能的有效实验方法之一。近年来多项研究采用有限元分析方法建立单髁置换条件下膝关节三维(3D)有限元模型，模拟不同干预措施下膝关节的生物力学特性，对于膝关节生物力学研究起到了推动作用。

6. 单髁置换术治疗膝关节自发性骨坏死的生物力学研究进展

国内对SNOK治疗的研究起步相对较晚，目前有关UKA治疗SONK的生物力学研究较少，在2021年屠星磊等学者[43]考虑UKA术中一般使用骨水泥填充股骨内侧髁骨缺损，但是既往研究认为骨水泥可用于小范围的包容性骨缺损的重建，大范围缺损使用骨水泥填充则会造成远期的假体松动失败，原因包括：骨水泥与假体及骨床界面应力分布不均、骨水泥疲劳断裂等。多数文献建议使用金属增强块填补缺损，可以平衡应力分布，降低填充物载荷，减少假体松动可能。针对其中的骨水泥和金属填充物进行相关的生物力学研究，最终研究显示金属材料填充骨缺损可以增加UKA股骨假体的稳定性。

7. 总结与展望

关节置换术是膝关节自发性坏死较为重要的治疗方案，其中单髁置换术因其良好的临床疗效，更亦得到临床医生的青睐。UKA凭借其突出的优势在临床应用中迅速增加；同时UKA的手术适应证有所扩展，年龄过大/过小、肥胖、髌股关节退行性变、前交叉韧带功能不全等不再是手术禁忌证。FB假体稳定性好、无垫片脱位风险，尽管术后仍存在垫片磨损、感染、假体松动、疼痛等并发症，但凭借其锁定垫片的特点在膝外侧间室UKA及MB-UKA失败后翻修术中的表现优异。

在所构建的膝关节有限元模型中，还需着重考虑的是材料属性、线性及非线性和各接触对之间的连接的问题。材料属性可根据既往文献整理，对于线性及非线性问题，根据既往文献，多将韧带定义为超弹性各向同性橡胶材料并使用Hookean模型表示。半月板定义为横向各向同性材料，其余的组织结构定义为线弹性各向同性材料。膝关节各接触对之间，多建立股骨软骨与胫骨软骨、胫骨软骨与半月板、股骨软骨与半月板6种接触对。其中，骨与韧带之间、骨与软骨之间、胫骨软骨与半月板之间定义为绑定连接，股骨软骨与半月板之间、股骨软骨与胫骨软骨之间定义为无摩擦有限滑动的表面接触，这种接触方式可以保证膝关节的稳定性是由各结构间的平衡状态而非摩擦力提供。

对于采用FEA方法构建的正常膝关节有限元模型，需对模型有效性进行验证，验证成功后即可在此正常膝关节模型的基础上进行下一步处理，目前多采用以下两种方式进行有效性验证：验证方法一：沿股骨机械轴方向向下施加1000 N载荷，观察膝关节内外侧间室中关节软骨和半月板的等效应力的分布、峰值以及两间室载荷比例。验证方法二：模拟前后抽屉实验，将正常膝关节有限元模型的边界条件改为胫腓骨只约束屈曲活动，股骨活动完全约束，过胫骨平台内外侧缘连线的中点施加垂直于冠状面的134 N前向载荷，观察载荷方向在胫骨前缘交点的位移距离。

然而关于在SONK中骨坏死大小对两种关节置换术式的选择没有明确的治疗原则和理论依据。采用有限元分析方法研究单髁置换术固定平台假体对膝关节自发性骨坏死的生物力学，如何将FEA结果转化为临床可用的决策工具？有限元分析可以通过模拟术后膝关节区域及假体的力学分布，SONK患者行单髁置换术治疗时需去除坏死的骨质后并用骨水泥填充其中，然后鉴于术后所见，其股骨侧假体的松动和脱位多因骨水泥套层的疲劳断裂，因此，可通过比较所测得的术后骨水泥套层的最大应力与骨水泥最大承受应力进行比较，进而有望通过生物力学分析对膝关节自发性骨坏死的临床治疗方案的选择提供理论依据，提高手术疗效，改善患者术后效果。

未来研究方向应着重于SONK相关的生物力学研究结合此类疾病的临床长期随访数据，将有助于更全面地帮助临床医生选择合适的术式，并为其优化提供科学依据。

NOTES

^*通讯作者。