运动学对线单髁膝关节置换前后胫股关节生物力学特性研究：揭示术后变化与临床意义

为探究运动学对线单髁膝关节置换（KA UKA）的生物力学特性，研究发现术后内侧间室峰值接触压增加显著，运动学特性变化不明显，有助于理解术后情况。

　　### 一、研究背景
膝关节骨关节炎（Knee osteoarthritis，KOA）如同一位潜伏在中老年人身边的 “健康杀手”，在全球范围内，约有 654 亿人深受其扰，它是 45 岁及以上人群膝关节疼痛的常见病因，全球发病率约 8.15%。在膝关节的各个间室中，内侧间室又是 KOA 的 “重灾区”，大约 30 - 50% 的 KOA 患者都有内侧间室受累的情况。

面对终末期 KOA，手术治疗成为了重要手段，其中包括全膝关节置换术（Total knee arthroplasty，TKA）、单髁膝关节置换术（Unicompartmental knee arthroplasty，UKA）和高位胫骨截骨术（High tibial osteotomy，HTO）。近年来，UKA 因其术中损伤小、术后活动范围大、恢复快等优点，越来越受到患者的青睐。然而，UKA 的长期生存率较低，这就像一颗 “定时炸弹”，让医生和患者都忧心忡忡。导致 UKA 失败的原因有很多，如无菌性松动、骨关节炎进展、聚乙烯磨损和残留膝关节疼痛等，而这些术后并发症大多与生物力学因素密切相关。

目前，UKA 主要采用机械对线（Mechanical alignment，MA）技术，虽然它操作简单、重复性好，但也存在一定的局限性。近年来，运动学对线（Kinematic Alignment，KA）技术在 TKA 中的成功应用，给 UKA 的发展带来了新的希望。KA UKA 旨在植入更个性化、生理兼容性更好的活动轴承 UKA 假体，以治疗晚期单髁膝关节骨关节炎，有望提高患者满意度，降低 UKA 的翻修率。然而，KA UKA 的量化生物力学指标却如同迷雾，亟待研究人员去揭开。

为了填补这一空白，首都医科大学附属北京潞河医院等机构的研究人员展开了一项研究，相关成果发表在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》上。这项研究对于深入了解 KA UKA 的生物力学特性，以及指导临床实践具有重要意义。

二、研究方法

研究人员从 6 具防腐尸体上获取膝关节标本（平均年龄 55.5 岁，4 男 2 女），在测试前，通过 X 射线、CT 和 MRI 检查确保标本膝关节退变程度低、无半月板或韧带损伤且大小相似。保留膝关节线上下约 20cm 的组织，去除皮肤、皮下组织和肌肉，将胫骨和腓骨远端、股骨近端用义齿基托树脂固定在圆柱形模具中。

使用计算机伺服材料测试机施加 1000N 轴向载荷，将膝关节标本安装在定制测试夹具上，该夹具可控制膝关节运动的六个自由度，模拟生理加载。利用压力敏感传感器（Tekscan model 4000）测量胫股关节内侧和外侧间室的接触面积、平均接触压力和峰值接触压力；采用三维运动分析系统（Simi Motion）和三个数码相机收集胫股关节的运动学数据。

所有膝关节标本均使用牛津 III 型活动轴承 UKA 假体进行手术，由同一位资深外科医生操作，严格遵循 Philippe Cartier 等人的手术流程。手术前，选择大小匹配的膝关节标本，确保假体和聚乙烯衬垫型号统一（股骨组件为 M 号，胫骨组件为 B 号，聚乙烯衬垫为 3mm）。

在进行生物力学测试前，先用 Motion Analysis 三维运动捕捉系统记录标记杆的空间坐标，再用 Simi Reality Motion 系统捕捉标记杆上的标记点，实现精确空间定位。在膝关节标本关节线两侧固定两个标记框架，每个框架含 4 个标记点，然后在标本上附着 8 个解剖标记点，记录其空间坐标作为初始位置坐标，之后移除解剖标记点，仅保留标记框架，开始正式生物力学测试。

在测试过程中，逐步增加膝关节屈曲角度，从 0° 到 120°，每次增加 10°，在每个角度稳定施加 1000N 压力后，收集运动学和接触力学数据。通过 I - Scan 软件处理数据，计算接触力学参数；建立股骨和胫骨的局部坐标系，运用 “方向余弦” 法计算位移，“Z - Y - X 内在旋转欧拉角” 法计算旋转，最后将数据导入 Matlab 2016b 进行分析。

三、研究结果

3.1 接触力学结果

在相同屈曲角度下，KA UKA 术后关节的接触面积比正常膝关节小，平均接触压力和峰值接触压力更大，其中内侧间室峰值接触压力增加最为明显。正常膝关节在屈膝过程中，胫股关节接触面积、平均接触压力和峰值接触压力的均方根（RMS）值分别为 529 mm2 、1.8MPa 和 4.5MPa；KA UKA 术后，这些值变为 449 mm2 、2.0MPa 和 9.8MPa。正常膝关节内侧间室峰值接触压力的 RMS 值为 4.2MPa，外侧间室为 3.8MPa；KA UKA 术后，内侧间室为 9.6MPa，外侧间室为 5.6MPa。

随着膝关节标本屈曲角度从 0° 增加到 120°，正常膝关节和 KA UKA 术后膝关节的胫股关节接触面积均逐渐减小，平均接触压力均逐渐上升，峰值接触压力变化趋势相对稳定。

3.2 运动学结果

随着膝关节标本屈曲角度增加，KA UKA 术后股骨相对于胫骨的外旋角度比正常膝关节小，但差异无统计学意义（P=0.255>0.05）。股骨髁中心、内侧和外侧股骨髁的后向平移变化也不明显（P=0.761>0.05；P=0.496>0.05；P=0.923>0.05）。正常膝关节胫股关节股骨相对于胫骨外旋的 RMS 值为 9.9°，股骨髁中心、内侧股骨髁和外侧股骨髁的后向平移分别为 18.4mm、11.5mm 和 25.4mm；KA UKA 术后，这些值变为 8.6°、19.3mm、12.9mm 和 25.9mm。在正常膝关节和 KA UKA 术后膝关节中，随着屈曲角度增加，股骨相对于胫骨的外旋角度、股骨髁中心及内外侧股骨髁的后向平移均逐渐增加。

四、研究结论与讨论

研究表明，在相同屈曲角度下，KA UKA 术后内侧间室峰值接触压力相比术前增加最为显著。虽然 KA UKA 术后膝关节运动学特性与正常膝关节相比变化不明显，但这一特点却有着重要意义。

从术后并发症角度来看，KA UKA 术后内侧间室峰值接触压力大幅增加，尽管仍低于聚乙烯衬垫的屈服应力（22MPa），但可能是导致膝关节疼痛的原因之一。过高的压力可能会破坏骨小梁，刺激神经末梢引发疼痛，还可能导致聚乙烯衬垫磨损或挤出，影响膝关节软组织，进一步加重疼痛。这也解释了为什么无菌性松动、外侧间室骨关节炎进展、聚乙烯磨损和不明原因疼痛是 UKA 翻修的主要原因，因为这些都与关节内应力密切相关。

从功能效果方面分析，KA UKA 术后运动学特性变化不大，这得益于其手术技术。KA UKA 尽量保留患者内侧间室的生理解剖结构，维持更自然的关节线方向，减少骨切除量，避免打开股骨髓腔。这使得患者术后无需适应新的肢体运动模式，疼痛明显减轻，可能会获得较高的术后满意度。研究人员推测，良好的术后运动学表现可能与术前膝关节的运动学功能有关，如果术前膝关节存在严重的内翻或外翻畸形，可能会限制 KA UKA 术后的运动学表现，不过这还需要进一步研究来明确。

然而，这项研究也存在一些局限性。例如，使用的是福尔马林浸泡的防腐标本，而非新鲜冷冻尸体标本，可能会影响生物力学测试参数；加载方式仅为轴向加载，未考虑其他方向力和力矩的影响；在处理膝关节标本时，去除了大量肌肉组织，这也可能对胫股关节的生物力学参数产生影响。

总体而言，该研究揭示了 KA UKA 前后胫股关节的生物力学特性，为理解 KA UKA 术后可能出现的并发症和良好的功能效果提供了重要依据，对指导临床实践、提高 KA UKA 的治疗效果具有重要价值。未来，还需要更多研究来进一步完善对 KA UKA 的认识，解决现有研究的局限性，推动膝关节置换手术技术的不断进步。