单髁置换术定位孔位置分布对术后胫骨平台力学性能的影响.pdf
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1、502Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期单髁置换术定位孔位置分布对术后胫骨 平台力学性能的影响【作 者】侯增涛1,吕晓2,张金锋1 1 青岛市中医医院(市海慈医院),青岛大学附属青岛市海慈医院,青岛市,266033 2 青岛市市立医院,青岛市,266071【摘 要】目的 探究两引脚法下单髁置换术后胫骨生物力学特征,以降低术后胫骨骨折风险。方法 该研究分割下肢CT图像并重建胫骨三维模型,构建术后胫骨平台有限元模型,模拟在4种不同的两引脚法打孔组合下,胫骨平台的应力分布。结果 第3种模式下,胫骨平
2、台近端内侧边缘的定位孔出现最高的应力数值,定位孔位置靠近胫骨平台近端内侧边缘出现应力集中。结论 在膝关节单髁置换术的两引脚打孔方案下,应避免打孔位置靠近胫骨平台近端内侧。【关键词】生物力学;膝关节;单髁置换术;有限元分析;导板定位钉;胫骨平台【中图分类号】R318;TH77【文献标志码】A doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2023.05.007Effect of Pin Holes Location of Unicompartmental Knee Arthroplasty on Postoperative Tibial Plateau Mechanical Prop
3、erties 【Writers 】HOU Zengtao1,LYU Xiao2,ZHANG Jinfeng1 1 Qingdao Traditional Chinese Medicine Hospital(Qingdao Hiser Hospital),Qingdao Hiser Hospital Affiliated of Qingdao University,Qingdao,266033 2 Qingdao Municipal Hospital,Qingdao,266071【Abstract】ObjectiveThe purpose of this study is to explore
4、the biomechanical characteristics of the tibia after unicompartmental knee arthroplasty with different distributions of two-pin holes,and to optimize the two-pin holes scheme to reduce the risk of tibial fractures after unicompartmental knee arthroplasty.MethodsLower limbs model is segmented and rec
5、onstructed from computed tomography images.Four combinations of two pin holes created for tibial cutting guide placement are simulated with finite element analysis.Results In the third mode,the positioning hole at the proximal medial edge of the tibial plateau has the highest stress value,and the po
6、sition of the positioning hole near the medial edge of the proximal tibial plateau appears stress concentration.ConclusionThe present study revealed that placing tibial cutting guide holding pins centrally would lower the risks of periprosthetic fracture of the medial tibial plateau.【Key words】biome
7、chanics,knee,unicompartmental knee arthroplasty,finite element analysis,pin hole for guiding and cutting,tibial plateau收稿日期:2022-06-12作者简介:侯增涛,E-mail:通信作者:张金锋,E-mail:0 引言膝单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)是治疗骨关节的成功治疗策略之一,UKA的目标是通过人工植入物替换膝关节病患区域来缓解疼痛并恢复膝关节功能,内侧骨关节炎的患病率很高1-2,最常见的类型是内侧UKA,UK
8、A具有非常高的成功率3-4和较高的中长期存活率5。与全膝关节置换相比,UKA具有以下优势:手术暴露区域小,保留了十字韧带和大部分胫骨,降低了术后并发症风险6-9。UKA技术已经十分成熟,但是仍面临小概率的严重并发症10-11。这些并发症具体的表现为,UKA胫骨假体下方的内侧胫骨平台应力性骨折,如病情恶化,导致胫骨底板松动或胫骨平台塌陷12。因此,UKA植入物和周围骨骼的结构稳定性对于患者康复至关重要。如何避免出现假体周围骨折发生非常重要,据研究报道,与冠状面超过6 内翻或任何胫骨外翻都会显著文章编号:1671-7104(2023)05-0502-05503Chinese Journal of
9、Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期增加内侧室骨折风险13。在低骨密度区域打孔以及在UKA术中打多个孔,会增加骨折的风险14-15。为了降低骨折风险,虽然目前各品牌UKA制造商都推荐两引脚打孔方案,但是仅使用两引脚方案仍有机会发生骨折16-17,目前尚不清楚打孔位置分布的差异如何诱发胫骨骨折,目前UKA打孔两引脚法中打孔的位置分布仍无相关指南可以参考,如何保证打孔后胫骨平台力学性能最优亟待深入研究。近几十年,有限元分析(finite element analysis,FEA)越来越多地用于骨科领域。FEA以操作简单性、数据可靠性、参
10、数化建模等特点,已成为骨科生物力学重要的研究方法18-23。本研究将使用FEA技术来研究不同打孔位置分布对UKA术后胫骨平台应力分布的影响。1 有限元分析模型建立有限元分析的技术流程如图1所示,首先需要从下肢CT数据分割三维重建得到下肢的三维几何模型,同时,需要通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)获得UKA假体模型。然后把下肢模型和假体模型导入3-Matic软件(比利时,Materialise公司)进行编辑,得到UKA术后模型,然后导入有限元分析软件,建立有限元分析的网格模型。Abaqus?FEA?CT?CAD?Mimics?3-Matic?图1 有限元分析
11、的技术流程Fig.1 Technical workflow of FEA analysis1.1 胫骨三维几何模型本研究使用一名下肢无任何解剖学上异常情况志愿者的下肢CT图像来建立三维模型。使用图像分割软件Mimics(比利时,Materialise公司)对CT数据进行阈值分割,然后利用Region growing功能分割出胫骨,利用Calculate 3D功能计算出胫骨的3D模型。把胫骨3D几何模型向内偏移2 mm生成骨小梁结构,用胫骨3D模型减去骨小梁结构生成皮质骨3D模型,得到包含皮质骨和骨小梁的3D模型。切割后的胫骨平台几何模型,如图2(a)所示,绿色几何体为皮质骨结构,深蓝色几何体为
12、骨小梁结构。膝关节中心定义为股骨关节面髁间窝的顶点,髋关节中心即股骨头中心点,采用Mose圆法确定,踝关节中心定义为距骨宽度的中点24。力线定义为连接髋关节中心和踝关节中心的连接线,见下肢力线示意 图3(a)红色虚线。UKA假体由CAD软件Solidworks软件(美国达索系统)使用逆向工程方法设计,UKA植入假体,如图2(b)所示。根据ZUK(美国Zimmer公司)技术手册规定,在内侧胫骨上组装UKA假体。通过在胫骨的切割表面和胫骨的底部之间插入2.0 mm厚的骨水泥层来固定UKA假体。图2 胫骨平台和UKA假体几何模型Fig.2 Geometry models of tibial plat
13、eau and UKA prosthesis图3 胫骨平台切割Fig.3 Cutting plane of tibial plateau1.2 胫骨平台切割平面设计为了模拟UKA后胫骨的形态,胫骨近端的横状切口设定为位于内侧胫骨平台以下4 mm的深度见图3(b),胫骨轴的后倾角为5 见图3(c),垂直于冠状胫骨轴见图3(a)。矢状切割平面由垂直于横向切割平面并穿过内侧胫骨内侧边缘的平面,切割后的胫骨平台几何模型,如图2(a)所示。最后按照UKA手术要求,在切割后的胫骨平台上安装UKA假体,最终的UKA术后模型如图2(c)所示。1.3 4种打孔模式设计根据胫骨切割导板的设计放置2个销孔。使用打孔
14、和切割导轨水平平移的2种组合产生了4种引脚配置模型,4种不同的打孔模式如图4所示。其中,(a)为模式1,两个孔紧靠矢状胫骨切割平面;(b)为模式2,1个孔紧靠矢状胫骨切割平面,另外一个504Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期孔紧靠胫骨平台边缘,即靠近胫骨内侧;(c)为模式3,2个孔紧靠力线;(d)为模式4,一个孔紧靠力线,另一个位于胫骨横状切口中心位置下。在模式1和模式2中,胫骨导轨与矢状面对齐。模式3和模式4通过横向水平移动切割导轨的近端部分与胫骨力线对齐(即:使用组件中轴处的M/L),同时
15、保持垂直于力线的横向切割。图4 4种不同的打孔模式Fig.4 Four types of two pin-holes1.4 有限元模型建立在Abaqus软件(美国达索系统)中,由于胫骨几何体的表面不规则,我们采用四面体网格来划分胫骨模型,网格尺寸为3 mm,划分生产大约784 000个四面体,最后生产的网格模型如图5所示。根据文献的材料属性25,聚乙烯衬垫、钛合金胫骨平台、骨水泥层的杨氏模量分别为0.65、110.6、2.65 GPa,泊松比分别为0.46、0.33和0.46。皮质骨和小梁骨的杨氏模量被定义为0.83 GPa和 13.4 GPa,泊松比为0.3。载荷施加为沿力线如 图3(a)所
16、示向下,施加在聚乙烯衬垫表面大小为1 000 N的载荷,模拟68 kg体重患者的站立情况。聚乙烯衬垫和钛合金胫骨平台之间建立绑定约束,胫骨平台与骨水泥之间,骨水泥与骨小梁之间建立接触。骨小梁和皮质骨之间建立共节点约束。图5 有限元分析网格模型Fig.5 Mesh of tibial FEA model1.5 有限元求解模型分析模式被设置静态模型。使用Abaqus软件的Static、Genera分析类型。求解器使用自动增量步,初始增量步步长为1,最小增量步为110-5,最大迭代增量数量为100。求解器运行在ThinkPad P15移动工作站上进行,每一个模型求解时间约为15 min。2 结果为了
17、研究打孔位置对UKA术后胫骨平台的von-Mises应力分布的影响,我们分析胫骨模型上面的应力大小,应力云图分布以及应力集中情况。4种打孔模式下UKA术后胫骨应力云图,如图6所示,4种模式的应力云图、应力等值面分布形状相似,高应力区域即图中应力云图偏黄色区域都集中在矢状面切割平面左侧,高应力区域的应力维持在7 MPa水平,远低于皮质骨材料的屈服强度26(以50岁年龄的女性研究数据为例,屈服强度约为140 MPa)。但在模式2情况下,远端孔出现了应力集中情况,而且数值保持高位,如图7所示,达到了29 MPa。参考图6中其他3种模式,所有孔圆周区域的应力基本处于27 MPa。模式2的孔附近的应力集
18、中数值是其他3种模式应力峰值的4倍左右。在4种模型中,矢状面切割平面边缘应力最大。在模式2中,矢状面切口周围分布高应力区域。在4种模式中,随着孔位置远离力线,von-Mises应力呈增加的趋势,应力更加集中,反之,孔放置位置越靠近中心位置,von-Mises应力呈降低趋势,应力分布均匀。4种模式下,胫骨最大von-Mises应力除模式2外,都处于30 MPa左右,模式2最大应力达到60 MPa,约为其他模型的两倍。模式2情况下,应力高度集中,且保持高水平的数值。图6 4种打孔模式下UKA术后胫骨应力云图Fig.6 Stress distribution on tibial after UKA
19、in four punching modes图7 模式2情况下孔附近区域应力云图Fig.7 Stress distribution on tibial in mode 2 505Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期3 讨论3.1 UKA植入物打孔有限元分析的意义UKA植入物和周围骨骼的结构稳定性对于患者的早期康复至关重要。本研究通过有限元分析评估了胫骨切割导轨放置过程中产生的打孔组合不同而导致的胫骨表面von-Mises应力分布情况。分析结果表明,与将其放置在更靠近胫骨内侧或矢状面胫骨切割平面下
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