摘要
膝关节骨性关节炎（KOA）是一种以关节软骨退化和膝关节结构破坏为特征的慢性关节疾病。KOA 的常见症状包括疼痛、僵硬、肌肉无力和疲劳，晚期治疗手段主要为假体置换手术，如全膝置换、单髁置换等。单髁置换术（UKA）通常适用于60岁以上非肥胖、功能要求低的膝关节内侧或外侧单髁骨关节炎通过非手术治疗失败的患者，超过90%的手术是内侧UKA。相较于全膝置换来说，UKA可能具有更好的活动范围、更好的步态模式、更短的恢复期等特点，因此年龄小于60岁、高BMI且只有单侧髁损伤的患者更多选择UKA。但一侧为假体，另一侧是原本的膝关节结构，有可能因KOA进展、无菌性松动和衬垫脱位出现手术失效的情况。从生物力学角度分析，假体矢状面安装位置、胫骨平台与骨骼匹配度、衬垫结构设计，以及患者本身的体重和骨骼疏松等情况，都可能会对单髁置换后的膝关节产生影响，从而导致手术失效。因此，本文基于有限元分析方法，探讨了上述因素对术后膝关节生物力学的影响。主要研究工作如下： （1）建立健康志愿者膝关节三维有限元模型。建立健康志愿者膝关节骨骼、软骨、半月板、韧带的三维有限元模型，并进行了有效性验证。 （2）假体矢状面安装位置对术后膝关节生物力学的影响。建立单髁假体有限元模型并装配；建立不同矢状面安装角度的单髁假体植入有限元模型，以矢状面0°到屈曲15°之间每3°为间隔，以及-2°和17°的8个安装角度，将活动衬垫型单髁股骨假体进行安装，探究矢状面安装角度对术后膝关节的影响。结果显示，从应力峰值方面来看， 12°时衬垫和胫骨假体应力峰值较小，并且各个角度的胫骨和外侧半月板的应力峰值差距并不大。因此股骨假体矢状面安装角度为12°是较为合适的矢状面安装位置。但手术中假体的安装位置确定无法精准定位，并且在矢状面9°时各部件的应力峰值也处于中等状态，在截骨量上来看，9°也处于一个较为中等的截骨量，所以 9°-12°的矢状面安装角度可作为手术中参考的范围。 （3）胫骨平台尺寸与骨骼匹配度对术后膝关节生物力学的影响。在胫骨假体现有尺寸基础上，改变胫骨平台长宽组合，改变与骨骼的匹配度，进行相同工况的模拟分析，明确胫骨平台尺寸变化对置换术后膝关节各组件的影响。对胫骨进行切割后，截骨面长度约为50mm，宽度约为25mm，长宽比例为2。在按照长宽度比例来看，比例低于1.9时，相关部件的应力峰值均为最大值或较大值；而长宽比在1.92-1.95和2.03-2.08的胫骨假体工况，模型各项数值都处于较低的数值上。结果显示，不同胫骨长度与宽度相互搭配时，当长度为52mm时各项应力峰值较小；宽度相同而长度为50mm和长度相同而宽度为26.5mm时易出现最大值，在小范围超过原本胫骨的长度可能会使假体力学状态有所改善。 （4）衬垫结构对术后膝关节生物力学的影响。调整衬垫冠状面、矢状面曲率，衬垫内外侧高度值，分析曲率、高度变化对术后膝关节各组件的影响。结果表明，当衬垫矢状面前端曲率半径（FA）、矢状面后端曲率半径（FP）为同一曲率半径时，术后膝关节各部件应力峰值都为较高值；在 FP＜FA 时，各项的应力峰值偏高；根据应力峰值结果来看，当 45-42.5 mm 时为最小值；对比不同高度的衬垫可以发现，降低衬垫高度时，各部件应力峰值都为最大，可能是因为衬垫高度低，导致股骨在受到载荷后下沉；衬垫内外侧高度不同时，内侧高度＜外侧高度时，应力值较小，但内侧低时各部件应力分布也更为集中。 （5）患者BMI和骨质疏松程度对术后膝关节生物力学的影响。根据BMI等级分为体重正常组、体重超重组、体重肥胖组、重度肥胖组；将建立的正常健康的膝关节模型定义为无骨质疏松健康模型，及 3 种不同程度的骨质疏松程度的模型，模拟轻度、中度、重度骨质疏松程度，分析 BMI 和骨质疏松程度对术后膝关节生物力学的影响。结果表明，随着 BMI 的增加，各个部件应力峰值也呈上升趋势；胫骨的应力峰值随着骨质疏松程度的增加而减少，其他部件的应力峰值逐渐增加，假体和半月板等相关部件承受更多的力。在不同程度骨质疏松工况中，从结果来看只有胫骨的应力峰值会随着骨质疏松程度的增加而减少，其余三项的应力峰值会逐渐增加，骨骼无法承担更多的应力，使假体和半月板等相关部件承受更多的应力。
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