不同人工踝关节假体设计对术后机械并发症的影响机制的研究

Nowadays, the accurate kinematic and biomechanical mechanism that the design defects of the different implants could result in higher postoperative mechanical complications rate of total ankle arthroplasty remained unclear. Based upon this research problem mentioned above, this youth project was designed to analyze the design defects of the current ankle prostheses and investigate potential mechanism for abnormal kinematics and biomechanics in foot and ankle joint, as well as the postoperative mechanical complications resulted from these design defects though our established dynamic dual-orthogonal fluoroscopic imaging system, reverse engineering technique and Anybody human modeling and motion simulation software. We have collected kinematic of normal gait using dynamic dual-orthogonal fluoroscopic imaging system and have successfully developed and modified the dynamic fluoroscopic image matching technique for foot and ankle joints, and collect dynamic kinematic data of normal gait. Also our preliminary experiment of reverse engineering ankle articular surface and modeling and simulation of human motion suggested the current implant designs may not be incompatible with the normal ankle kinematics, which could provide theoretical basis and lays the foundation for this project. The accurate mechanism that the design defects of the different implants could result in higher postoperative mechanical complications rate could establish new directions and ways for ankle prosthesis improvement.

目前各种人工踝关节假体设计不足导致置换术后假体机械并发症过高的运动学及生物力学机制尚不明确。基于以上科学问题本项目拟借助申请人所在研究团队已经建立的踝关节双平面X线透视成像及匹配系统采集正常踝关节运动学数据，基于运动学数据通过关节假体逆向打磨手段探讨目前的人工踝关节假体外观设计的不足，通过AnyBody人体建模软件建立踝关节运动仿真模型验证人工踝关节置换术后关节运动学及生物力学的变化并阐明机械并发症的发生机制。申请团队利用双平面透视成像及匹配系统采集了正常踝关节运动学数据，前期开发、优化了足踝部动态透视图像匹配技术，并完成了踝关节假体逆向打磨和运动仿真建模的预实验，发现了假体的设计并不符合生理踝关节运动学，为本项目的开展提供了理论依据并奠定了工作基础。踝关节假体设计对术后机械并发症影响机制的阐明将会为改进踝关节假体设计提供新方向和新思路。

本项目首先分析了目前在临床上使用较为广泛的12种人工踝关节假体的距骨组件，胫骨组件和内衬设计的特点，分析目前不同假体设计的特点与并发症之间的关系及各自的优势和不足。其次通过双平面技术采集正常人足踝运动数据，同时在人体工程学软件Anybody中设置胫距关节及周围骨骼、肌肉及韧带，并将获得的运动学数据加载，获得足踝运动仿真模型，通过在该运动模型上进行人工踝关节假体3D样机的置换，分析假体关节面应力并探讨导致假体失败的并发症的机制及其与假体设计之间的关系。基于该模型我们计算了STAR和INBONE II等踝关节假体在生理步态的运动学和动力学输入条件下，其假体关节面的总应力与正常踝关节的总应力的对比，结果发现在步态周期中，STAR假体的关节面应力和正常踝关节面的应力差别较大，而INBONE II假体的关节面应力与正常踝关节面的应力较为接近。然而，分别分析STAR和INBONE II假体关节面内外侧的应力，我们发现STAR假体外侧关节面应力变化基本符合正常踝关节应力变化，而STAR假体内侧关节面的应力变化与正常值差别极大，其应力在步态周期中足跟触底时假体内侧关节面应力最大。正是由于STAR假体距骨组件的凸起限制了踝关节屈伸活动时关节内衬的内翻和外翻，导致踝关节跖屈足跟着地时内侧应力明显超过正常值，从而增加关节内衬后内侧断裂的几率。另一方面，我们也发现INBONE II假体内外侧关节面应力变化的趋势均与正常踝关节应力变化趋势近似，但是在步态周期的离地相时，假体内侧关节面应力明显小于外侧，该结果说明INBONE II的内外侧关节面间深沟形设计，减少了踝关节屈伸活动过程中关节内衬的应力，降低了内衬断裂的风险。但是，由于INBONE II的距骨对称设计并不符合距骨的解剖学特点，这也符合我们测量的应力分布结果，即内外侧关节面应力不对称，外侧应力大于内侧。以上结果为进一步改进现有踝关节假体的设计及设计具有我们自主知识产权的人工踝关节假体提供的新的方向和思路。