基于计算机仿真技术对膝关节置换术后屈曲-旋转耦合运动的研究

Abnormal kinematics after knee joint replacement is very common. Computational kinematic simulation has specific advantages in the knee joint kinematics study due to its ability of confounding factors control. Our earlier study had proved that the components malalignment in sagittal plane had significant impact on the postoperative kinematics through computer simulation. Improved surgical technique and high-quality design of prosthesis are two important methods of kinematic optimization. Hence, we propose a hypothesis as follows: Whether the computational simulation model could provide the necessary data for the design parameter of knee prosthesis? Current study will investigate the various abnormal kinematics, such as abnormal coupled motion of knee flexion and tibial axial rotation, femoral paradoxical anterior translation, adverse tibial rotation, femoral condylar lift-off and so on. To analyze the correlation of abnormal kinematics and implant design parameters, and then optimize the domestic implants design. Current study will provide data for the development of domestic knee joint implants, and provide theoretical basis for the postoperative kinematic optimization and subjective functional improvement.

膝关节置换术后运动学异常非常普遍。计算机运动仿真技术由于能有效的去除混杂因素的影响，应用于膝关节运动学研究具有独特的优势。本课题组在前期工作中已经应用计算机运动仿真模型首次证明了膝关节假体矢状面对线手术技术对膝关节置换运动学能够产生显著影响。因为手术技术和膝关节假体设计均可对膝关节术后运动学产生影响，所以在前期工作的基础上，我们预测通过对膝关节置换术后运动学的研究，同样可以为优化膝关节假体设计参数提供数据支持。本研究拟通过计算机三维运动仿真模型考察膝关节置换术后屈曲-旋转偶联运动异常与假体类型、假体部件的设计参数之间的数量关系，并借此来优化在研的国产膝关节假体设计参数。本课题将为开发具有自主知识产权的国产膝关节假体提供数据支持，为优化膝关节置换术后运动学、改善膝关节术后功能提供理论基础。

全膝关节置换（TKA）术后的运动学异常非常普遍，它是导致患者术后不满意的主要原因。本项目主要基于计算机运动学仿真技术对TKA术后屈曲-旋转耦联运动进行考察，探讨假体设计、对线技术等因素对膝关节运动学的影响。本项目的主要研究发现如下：1. 通过膝关节模拟器上创新夹具以及NDI运动捕捉系统可以实现不同设计假体的术前运动学预测,该系统直接追踪测试膝关节假体内外侧股骨髁运动，能捕捉量化包括步态在内的多种类型日常运动。使一个步态周期内数据输入与模拟结果输出的误差控制在0.37%到1.575%之内；膝关节屈曲面旋转中心（FFC）在前后和内外方向上的误差分别控制在0.08mm和0.3mm之内；局部参照系在膝关节屈曲角度测量中的误差只有1.09%。该系统对于国产膝关节假体开发过程中的运动学测试提供了一个直接可靠的平台工具。2. 计算机运动学仿真技术还可以通过多体动力学仿真软件实现：本课题组使用了MSC ADAMS View模块成功组建并验证的后交叉韧带保留型假体的TKA运动仿真模型，该模型在甄别不同对线技术之间的微小运动学差异的优势非常明显。试验发现运动学对线技术对TKA术后屈曲早期股骨髁的反向前移运动具有一定的抑制作用：平均每3°内翻，反向前移减少1.2mm。但试验结果显示对于术前冠状面畸形不严重的膝关节并不会体现出明显的运动学优势。3.运动学对线技术致力于改善TKA术后的运动学，但该技术会导致假体股骨组件-滑车截骨面的解剖学适配异常发生率达到86.5%。研究发现这种解剖学不适配主要与假体设计和股骨远端关节线的综合因素有关，滑车中部不适配与股骨远端外侧角的相关系数为-0.724（R2=0.702）。但进一步的临床研究发现，该现象并不会导致髌股关节紊乱发生率的增加。4. 本项目还对膝关节的假体磨损进行了初步研究。本项目的实验方法和试验结果对完善国产膝关节假体设计、改进膝关节置换的手术技术提供了有力的测试工具和数据支撑，上述所有改进的最终目标是改善TKA术后运动学。