改良内侧髌骨支持带紧缩术对髌股关节紊乱生物力学影响的三维有限元分析

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目的:观察镜下改良内侧髌骨支持带紧缩术治疗髌股关节紊乱症的短期疗效。并通过收集双膝均存在髌股关节紊乱症患者的关节镜手术干预前后的CT及MRI资料,依次建立髌股关节紊乱患者双膝术前、术后(传统点对点缝合内侧紧缩术模型(传统术式)与经皮改良编织缝合内侧紧缩术模型(改良术式))髌股关节三维有限元模型。以此探讨关节镜手术干预前后髌股关节接触面的应力分布的变化情况,从而深入分析传统术式及改良术式对髌股关节生物力学的影响,为临床治疗髌股关节紊乱症提供进一步理论依据。
  方法:回顾分析2015年6月至2017年6月本院骨伤科共纳入25例(39膝)髌股关节紊乱症患者,选取4例(8膝)双膝均存在轻、中度髌骨倾斜或外移的患者为研究对象;年龄32-45岁,平均年龄40.75岁;4例均为女性患者。4例(8膝)患者双膝在镜下共同施行外侧支持带松解术的基础上,再分别接受镜下传统点对点缝合内侧髌骨支持带紧缩术与镜下经皮改良编织缝合内侧髌骨支持带紧缩术。手术前后均采取Kujala髌股关节功能评分表、Lysholm膝关节功能评分表、KSS上下楼梯功能评分、下蹲时膝前疼痛程度VAS评分、HSS膝关节评分以比较膝关节功能的恢复情况。并通过CT或MRI检查测量并对比4例(8膝)患者手术前后髌股关节对合情况相关参数的变化:外侧髌股角(LPA),适合角(CA),髌骨外移度(LPD),髌骨髁上轴角(PEAA)。计量资料先进行正态检验,符合正态分布的统计学分析应用t检验;非正态分布的则应用秩和检验。检验水准取α=0.05,P<0.05认为差异有统计学意义。同时收集其中1名患者手术前后的CT及MRI,以DICOM格式保存备用。利用有限元建模软件分别建立髌股关节紊乱患者双膝术前、术后(传统点对点缝合内侧紧缩术模型(传统术式)与经皮改良编织缝合内侧紧缩术模型(改良术式))髌股关节三维有限元模型。计算并对比分析手术前后、传统术式与改良术式之间,髌股关节三维有限元模型在模拟膝部屈曲(30°,60°,90°)状态下,被施加股四头肌肌力向心收缩方向的200N负荷后的生物力学变化。
  结果:术后4例(8膝)均获得随访,平均随访时间约为13个月(5月-23月),双膝髌股关节功能有明显改善;改良术式手术前后与传统术式手术前后的Kujala髌股关节功能评分、Lysholm膝关节功能评分、KSS上下楼梯功能评分、下蹲时膝前痛程度VAS评分、HSS膝关节评分差异均有统计学意义(P<0.05);但改良术式与传统术式之间五项功能评分差异均无统计学意义(P>0.05)。手术前后影像学检查结果比较:改良术式术前术后外侧髌股角(LPA),适合角(CA),髌骨外移度(LPD)的差异均有统计学意义(P<0.01)。传统术式术前术后四项指标的差异无统计学意义(P>0.05)。同时改良术式与传统术式之间,术后的外侧髌股角(LPA)指标差异有统计学意义(P<0.05)。同时成功建立了髌股关节紊乱患者双膝术前、术后(传统点对点缝合内侧紧缩术模型(传统术式)与经皮改良编织缝合内侧紧缩术模型(改良术式))髌股关节三维有限元模型并对其进行了生物力学分析,结果显示:同一载荷下,改良术式术后模型在屈曲(30°,60°,90°)时髌股关节最大应力值分别为:(0.834MPa,1.625MPa,2.167MPa)与术前(1.333MPa,2.875MPa,3.834MPa)比较应力最大值有很大幅度下降,下降率在37.434%-43.479%之间;另外,同一载荷下,传统术式术后模型在屈曲(30°,60°,90°)时髌股关节最大应力值分别为:(1.245MPa,2.167MPa,3.215MPa)与术前(1.417MPa,2.625MPa,3.835MPa)比较应力最大值仅有小幅度下降,下降率在12.138%-17.448%之间。归纳两组数据可以看出,两种术式均可较好地降低髌股关节间异常高压。且改良术式较传统术式效果更好,可以进一步延缓软骨的损伤,从而推迟髌股关节炎的发生与发展。
  结论:1.镜下改良内侧髌骨支持带紧缩术与传统术式相比,可以更好地降低髌股关节内外侧间隙的异常压力集中,缓解因高压造成的髌股关节持续性疼痛,很大程度上改善关节功能,使患者生活质量有效提高。
  2.首次借助髌股关节紊乱症患者病理状态下不同时期的膝关节CT及MRI影像,依托先进且完善的MIMICS软件及ABAQUS有限元软件,顺利建立了髌股关节紊乱患者术前双膝三维有限元模型,术后传统点对点缝合内侧紧缩术有限元模型与经皮改良编织缝合内侧紧缩术有限元模型。探讨与分析了相同载荷,不同屈膝角度下,髌股关节间隙术前术后应力的变动情况。
  3.分析模型数据显示,改良术式对于降低滑车软骨面的异常应力最大值优于传统术式,本文所提及的改良术式,值得在临床进一步尝试推广。这也间接提示对于诊断明确的髌股关节紊乱应尽早诊治,避免因失治误治而造成软骨面的进一步破坏缺损,最终造成难以挽回的髌股关节炎。
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