影响全膝关节置换效果的生物力学因素分析研究

The knee joint function recovery of patients after total knee arthroplasty (TKA) is essential for the clinical outcomes of the surgery, and a well-functioning knee joint should have reasonable biomechanical characteristics. By focusing on patellar-retaining and fixed posterior stabilized TKA, the study about the factors affecting the knee function such as tibial osteotomy angle, ligament stress, contact stresses and kinematic parameters of tibiofemoral and patellofemoral joints, and alignment of lower extremity is carried out as followings: 1. Different tibial osteotomy angles are performed on cadaver knees respectively. Contact stresses and kinematic parameters of tibiofemoral and patellofemoral joints before and after TKA are measured for analyzing the ‘best’ osteotomy angles and how the biomechanical and kinematic parameter in a knee joint are changing with osteotomy angles; 2. Validated by biomechanical tests in vitro (cadaver knees), the 3-D finite element model of knee joint is developed before and after TKA for simulating TKA, predicting the tibial osteotomy angle, and calculating ligament stress, and contact stresses and kinematic parameters of tibiofemoral and patellofemoral joints; 3. Patients’ gaits are measured before and after TKA for the evaluation of the knee function. The alignments of lower extremity in three dimension and total axial forces measured and calculated by both the gait measurement system and 3-D FE model are compared for the improvement of 3-D FE model. By exploring how tibial osteotomy angle, ligament stress, contact stresses and kinematic parameters of tibiofemoral and patellofemoral joints, and alignment of lower extremity cause the changes of the knee function, this study allows us to better understand biomechanical aspects of TKA for improving the outcomes of TKA.

膝关节功能的恢复对全膝关节置换术临床效果至关重要，功能良好的膝关节应该具有合理的生物力学环境。在前期工作的基础上，本课题针对髌骨保留的后稳定型固定平台全膝关节置换术，研究胫骨平台后倾截骨角度，下肢力线，韧带受力，胫股和髌股关节接触应力和运动学参数之间的作用关系，以及对膝关节功能的影响。方法如下：1、对尸体膝关节分别进行不同角度的胫骨后倾截骨，测量术前、术后胫股和髌股关节接触应力和运动学参数，分析最优截骨角度，总结截骨规律；2、建立经过体外生物力学实验验证的，置换前后的膝关节三维有限元模型。置换前模拟手术，预测胫骨截骨角度，计算术前术后韧带受力与胫股和髌股关节的接触应力和运动学参数；3、测量全膝关节置换患者的术前、术后步态，评估膝关节功能，对比步态系统和有限元分别计算的下肢力线和关节力，修正有限元。本研究旨在加深对全膝关节置换术中生物力学因素的认识，有助于提高临床效果和满意度。

目前治疗重度膝骨关节炎（KOA）最有效的手术方法是全膝关节置换术（TKA）。TKA可以消除膝关节疼痛，恢复关节功能，有效改善患者生活质量。但是仍有约25%的患者对手术效果不满意，而膝关节功能恢复不理想是不满意的主要原因之一。TKA后其关节生物力学特性发生较大变化，这些变化如何影响膝关节功能、如何影响步态功能，如何针对这些变化进行合理的手术规划，是目前需要澄清的重要临床问题。本课题针对髌骨保留的后稳定型固定平台TKA，开展了胫骨平台后倾截骨角度（PTS）、胫股关节接触应力和膝关节运动学参数的相关研究。. 通过尸体实验发现，TKA后胫股关节运动学和接触压力参数发生了巨大改变，较大的PTS对术后胫股关节生物力学特性产生积极的影响。研究总结了不同PTS对胫股关节生物力学特性的影响规律，为后稳定型全膝关节置换术中PTS的选择提供生物力学依据。. 对比评估了TKA前和TKA后六个月的步态差异，结合使用连续相对相位方法和统计参数映射方法，评估了KOA和TKA患者行走过程中下肢各环节间的耦合关系及其变异性，总结了KOA和TKA对患者运动协调模式及其稳定性的影响规律，为评估KOA和TKA患者的膝关节运动功能提供了新的思路。. 建立了人体步态的肌骨模型，发现TKA后6个月的股四头肌激活与术前和健康人有显著差别。建立了TKA前后设置肌肉载荷的膝关节三维有限元模型，行30、60和90 PTS的膝关节标本TKA的实验验证结果显示，有限元模型可以较为合理地评估TKA前后膝关节的接触应力。基于开发的限元模型，探究了不同PTS对术后关节接触力的影响，研究了不同假体尺寸和植入位置对TKA后膝关节股骨胫骨相对位移的影响，为进行术前手术规划提供了参考。. 结合体外标本实验和人体实验，使用三维动作捕捉和力平台系统和生物力学实验测试系统，采用逆向动力学理论、肌骨和有限元模型，研究了PTS等对胫股接触应力和运动学参数之间的影响，总结功能良好膝关节的生物力学特性，为分析影响TKA效果的生物力学因素提供了参考方法。本研究结果进一步丰富了TKA的生物力学基础。