研究背景全膝关节置换术对于晚期关节炎和其他膝关节疾病已经成为一种非常成功的治疗方法。但外科医生对于假体的选择并没有统一的标准。膝关节假体设计理念是尽可能恢复膝关节的正常生理运动,使假体与膝关节软组织生物力学达到协调。理论上膝关节假体应最大限度的减轻关节面接触压和骨一假体间应力,减少聚乙烯垫片磨损、假体松动和增加假体固定的可靠性。无扣锁机制的膝关节假体在软组织平衡及假体固定良好的情况下,股骨和胫骨之间能够旋转及滑动。基于假体设计理论,目前膝关节假体分为两大类:①固定平台膝关节假体,其聚乙烯衬垫和胫骨平台有扣锁机制,两者之间的连接不能达到绝对的牢固,胫骨平台非高抛光面。因此在膝关节运动中,两者会产生微动,导致聚乙烯下表面磨损。股骨假体和聚乙烯垫片之间为多方向运动。关节接触面呈圆对平(或浅凹)的接触方式,限制了关节间的高匹配,导致局部高应力;②活动平台膝关节假体,其聚乙烯衬挚在胫骨假体上自由滑动和旋转活动,关节面高度匹配。胫骨平台为高抛光面,最大限度减少聚乙烯垫片下表面磨损。并且更加接近膝关节正常生理运动。目前应用最多是旋转平台假体,旋转平台弥补了固定平台在运动学方面关节高度匹配并能自由旋转两者之间的矛盾。两种假体又可分为后交叉韧带保留型和后交叉韧带替代型。尽管理论上旋转平台(rotating-platform,RP)膝关节假体优于固定平台(fixed-bearing,FB),但目前对于选择哪一种假体存在争议。对于上述关于旋转平台的理论优势,国外已进行了大量的实验研究,认为旋转平台假体能够在胫股关节位置不良的情况下自我调节对线,减少胫股关节接触压,在体外聚乙烯磨损试验中证实旋转平台减少聚乙烯磨损。旋转平台置换术后患者在体内步态和膝关节高度屈曲实验中发现胫股关节较固定平台有更大的轴向旋转。然而,临床研究结果显示两种假体10年生存率均接近95%,中长期临床随访结果两者并没有明显的差异。旋转平台提高假体长期生存率的理论优势,在任何文献报道中都没有体现。而且旋转平台特有的脱位的并发症,尽管发生率低,可能会影响临床医生在选择假体上的偏向。目前大多数旋转平台假体旋转中心位于膝关节的中心,且文献报道最多的是LCS旋转平台假体。而正常的膝关节旋转中心位于股骨内侧髁。尽管没有实验去证实这种差异的有效性,可以假设假体设计旋转轴线和正常膝关节旋转轴线的不匹配性会增加骨—假体界面的应力。这种缺陷可能会抵消旋转平台减少聚乙烯磨损的优点,导致最终的临床结果没有明显优点。全膝关节置换术后膝关节运动不能达到正常膝关节运动状态,除非胫股关节在旋转及滑动中假体的接触部位完全与正常膝关节的解剖部位相符和旋转中心匹配。由于实验室研究和临床研究中,所设定的变量、患者选择和采取的试验方法不同,故难以确定旋转平台假体和固定平台假体哪个更优越。鉴于目前固定平台和旋转平台的争议,我们设计了本实验。因此,第一,首先建立人体膝关节计算模型,计算机模型分析,一方面可以降低成本,节省时间、消除标本间的个体差异。另一方面则可通过对实验条件的控制,准确地模拟体内的力学情况。在此基础上模拟全膝关节置换术,以期分析固定平台和旋转平台对全膝关节置换术后胫股关节的影响;第二,采用尸体标本进行生物力学实验是生物力学测试的金标准,分析在胫骨假体不同旋转角度下对两种假体胫股关节的影响;第三,我们进行回顾性研究比较固定平台和旋转平台的临床结果。基于此目的,我们这一阶段的工作包括以下几部分:第一部分:人体膝关节三维有限元模型建立及其有效性验证第二部分:全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析第三部分:全膝关节置换固定和旋转平台胫骨假体位置不良的生物力学研究第四部分:固定和旋转平台假体在全膝关节置换术中的早期临床比较研究第一部分人体膝关节三维有限元模型建立及其有效性验证目的:根据膝关节的CT和MRI扫描图像,建立人体膝关节的三维物理模型和三维有限元模型,以计算胫股关节和髌股关节运动学和力学参数,并验证其有效性。方法:根据1名正常青年志愿者膝关节CT、MRI扫描图像,利用图像处理和转换技术,运用CAD分析软件及由下而上的点、线、面、体建模原则,重建膝关节三维物理模型,并定义对髌股关节起重要作用的股四头肌、韧带及其他软组织为非线性弹性纤维束,并以股四头肌力为控制变量,模拟膝关节伸膝运动。在膝关节三维物理模型的基础上,运用有限元软件重建膝关节有限元模型,按双腿直立位时膝部实际受力大小和方向对模型加载相同载荷,模拟膝关节下蹲运动。结果:建立了一个有效的包括半月板、软骨、前后交叉韧带、内外侧副韧带和骨骼在内的膝关节三维物理模型和膝关节三维有限元模型。通过模型计算膝关节的部分运动学和力学参数,与文献中实验数据和体外实验进行比较,结果表明该模型有效。结论:本研究基于CT和MRI所建立的膝关节三维物理模型和膝关节有限元模型,与人膝关节解剖实际相符,能逼真地反映膝关节的真实几何结构,可有效的计算胫股关节和髌股关节运动学参数和力学参数,有效的分析膝关节的应力情况。第二部分全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析目的:有限元比较分析全膝关节置换固定和旋转平台假体胫股关节的生物力学特性。着重探讨两种假体胫股关节接触压和接触面的比较。方法:根据已经验证的正常膝关节三维有限元模型,选择合适的假体型号,通过逆向工程重建出固定和旋转平台假体模型,植入三维有限元模型中。建立两种膝关节假体有限元模型,通过有限元分析方法在两种模型上在不同屈膝角度0°、30°、60°、90°、120°下加载。观察两种假体胫股关节的接触压和接触面积。结果:固定平台和旋转平台有限元模型显示内侧胫股关节接触压均大于外侧胫股关节接触压。在不同屈膝角度0°、30°、60°、90°、120°下旋转平台内外胫股关节接触压均小于固定平台内外侧胫股关节接触压(p＜0.05),在厢膝30°、60°、90°、120°时旋转平台内外侧胫股关节接触面积均大于固定平台内外侧胫股关节接触面积(p＜0.05)。结论:旋转平台假体在不同屈膝角度下增大胫股关节接触面积,减少接触压,会减少聚乙烯磨损,提高假体生存率。第三部分全膝关节置换固定和旋转平台胫骨假体位置不良的生物力学研究目的:通过对全膝关节置换术后膝关节标本行生物力学测试,比较同一屈膝角度下固定和旋转平台胫骨假体不同旋转错位对胫股关节接触压峰值和接触面积的影响。方法:5例新鲜冷冻膝关节标本予以行固定平台和旋转平台膝关节置换并以胫骨结节中内1/3为胫骨假体的旋转中立位。将置换后标本安装至力学试验平台。借助于压力传感器测量不同屈膝角度(0°、30°、60°、90°、120°)下胫股关节接触压峰值和接触面积。调整胫骨假体至内旋15°、10°、5°及外旋5°、10°、15°,分别重复以上各个不同角度的测试过程并记录不同旋转错位情况下不同屈曲角度的胫股关节接触压峰值和接触面积。结果:膝关节0°伸直位,固定平台和旋转平台内外侧胫股关节接触压峰值均以胫骨假体旋转中立位时最小,固定平台胫骨假体的内外旋转错位时均导致了接触压峰值的显著升高(p＜0.05),而旋转平台假体在胫骨假体内外旋转5°～10°范围内接触压峰值升高不明显(p＞0.05),在胫骨假体内外旋15°接触压峰值的显著升高(p＜0.05)。膝关节屈曲过程中,胫股关节接触压峰值的最低值却并非一直出现在胫骨假体旋转中立位。同一屈曲角度下,当对相同角度内旋和外旋错位所导致的内、外侧胫股关节间隙接触压峰值进行比较时,内旋错位导致内侧胫股关节间隙接触压峰值的升高较外侧胫股关节间隙更为明显,而外旋错位导致外侧胫股关节间隙接触压峰值的升高较内侧胫股关节间隙更为明显。膝关节0°伸直位,内外侧胫股关节接触面积随胫骨假体旋转错位角度的增加均呈下降趋势。在关节屈曲的过程中,同一屈膝角度下,不同胫骨假体旋转错位所致胫股关节接触面积的变化虽不如0°位时规律,但总体而言,随着胫骨假体旋转错位角度的增加,胫股关节接触面积呈逐步下降趋势。结论:旋转平台假体在胫股关节对位、对线不良的情况下能够自我调节下肢对线,使胫股关节保持高匹配,增大胫股关节接触面积,减少接触压峰值。第四部分固定和旋转平台假体在全膝关节置换术中的早期临床比较研究目的:回顾性比较固定平台假体和旋转平台假体在全膝关节置换中的早期临床结果。方法:2006年1月至2006年12月共对100例(100膝)行初次全膝关节置换术的骨关节炎患者进行回顾性研究。男32例,女68例。固定平台组50例(50膝)平均年龄78岁(54～80岁),旋转平台组50例(50膝)平均年龄67.5岁(50～77岁)。全部病例选用不保留后交叉韧带骨水泥型假体(PFC),髌骨均行成形术,未置换。固定平台组和旋转平台组两组术前资料进行AKSS评分、活动度(ROM)、年龄、性别、体重等进行统计学分析。结果:所有患者均获得随访,平均随访15个月(12～20个月)。术前两组在年龄、体重和身高方面没有统计学差异(P=0.547,0.628,.879)。末次随访时,两组在AKSS关节评分和活动度(ROM)方面没有统计学差异(P=0.818,0.298)。多因素分析术前屈曲度和术中屈曲度影响术后屈曲度(p＜0.001,＜0.01),且术前屈曲度影响更明显。固定平台组90%患者对手术效果满意,旋转平台组96%患者对手术效果满意,两组无统计学差异(p=0.461)。结论:本组研究结果尚未证实旋转平台假体相对于固定平台假体在早期全膝关节置换术后的优越性。尚需长时间的随访结果。