保护正常的膝盖接触应力的影响在其他车厢对胫骨插入设计Unicompartmental膝关节置换术

文摘

成像技术的最近进展和加法制造导致引入定制unicompartmental膝关节置换术(UKA)可以提高功能性性能由于定制的几何图形,包括定制的矢状面和冠状曲率和增强骨骼保存。本研究的目的包括评估的生物力学影响胫骨插入设计定制的内侧UKA使用计算机模拟。我们开发了矢状面和冠状曲率在原生膝盖模拟股骨组件设计。我们利用三种类型的胫骨插入设计:平坦,解剖学模仿和符合设计。我们评估接触应力在胫骨插入和其他车厢,包括外侧半月板和关节软骨、步态和蹲加载条件下。为符合UKA设计、胫骨插入和外侧半月板表现出最低的接触应力下的立场相步态周期。但是,对于符合UKA设计、胫骨插入和外侧半月板表现出最高的接触应力下摇摆步态周期阶段。平UKA设计,关节软骨表现出最低的步态和蹲加载条件下的接触应力。解剖模仿UKA设计表现出最常规的接触应力在步态和蹲加载条件下另一个隔间。结果显示股骨组件之间一致性的重要性和胫骨插入UKA定制。 Based on the results on the femoral component as well as the tibial insert in the customized UKA, the anatomy mimetic design preserves normal knee joint biomechanics and thus may prevent progressive osteoarthritis of the other knee compartments.

1。介绍

骨关节炎(OA)通常胫股的第一影响内侧间室(TF)联合1)和越来越多的关注在年轻患者(2]。有各种手术治疗关节炎、孤立的内侧间室包括unicompartmental膝关节置换术(UKA),全膝关节置换术(TKA)和高胫骨截骨术(3]。UKA展品的利用率比TKA增长率的三倍。优秀的和可靠的临床结果的第一个十年使用导致外科医生扩大UKA更年轻、更活跃的迹象的病人(4]。优势包括更快的恢复速率由于微创手术,减少骨质流失,更好的功能结果,和较低的并发症发生率5]。然而,UKA涉及要求手术技术,组件和精确定位是至关重要的(6]。

虽然在UKA生存病人因素发挥作用,当前UKA设计提供了一个重要的限制(7]。各种解剖研究表明各种大小和形状变化的内侧和外侧胫骨组件(8,9]。高失败率在肥胖病人早期设计插图或狭窄的胫骨,而更广泛的胫骨组件的早期结果显示出更低的早期失败率(10,11]。亚洲人展示一个更小的构建和地位相比西方同行。然而,大多数市场目前假肢生产适合白种人患者的体质(12]。上述差异也观察到在性方面,除了种族[13,14]。为了解决这个问题,不同的或定制的植入物的开发和引入15]。定制的UKA可以提供优越的皮质骨覆盖和符合最小过剩和现成的UKA相比总量差额16]。此外,最近的一次计算机模拟研究表明,一个定制的UKA能产生健康膝关节的力学接近,(17]。

一个完全定制的一个潜在的缺点UKA可变性在冠状及矢状股骨组件的曲率,从而导致加载点选择弯曲角度弯曲胫骨插入时使用(18]。为了解决这个问题,一个平坦的聚乙烯(PE)胫骨插入是搭配了一个常数日冕曲率股骨组件,这保证恒定加载条件下大面积,无论弯曲角(15,17,18]。然而,这种类型的平面设计涉及到一个问题,并不描述胫骨插入解剖学。

本研究的目的包括评估不同的生物力学胫骨插入整合设计提供设计更接近于一个健康的膝关节。因此,我们开发了三个不同的胫骨插入表面设计:平坦,解剖学模仿和符合胫骨插入定制的UKAs证书。我们假设解剖学模仿定制UKA提供健康膝关节的生物力学接近。

2。材料和方法

2.1。设计定制UKA

定制的内侧UKA设计通过使用先前存在的三维(3 d)膝关节模型(17,19- - - - - -21]。定制的内侧UKA设计发起收购的医学图像数据。介绍了飞机使用侧的交集在矢状面和冠状视图。交叉曲线被用来提取阐明表面几何在两架飞机,被导入到国标库NX(版本7.0;西门子PLM软件、托兰斯、钙、美国),并配备了有理B样条曲线(图1(一))[17,18,21- - - - - -23]。

病人的骨股骨组件的定义了矢状几何。因此,矢状几何是完全不同的,由此而来的矢状植入半径沿前后的不同维度的植入17,18,21- - - - - -23]。病人的日冕曲率测量在多个位置沿股骨髁的长度。为每个病人平均曲率然后派生。使用这种方法,一个patient-derived恒冠曲率(图实现1 (b))。胫骨组件的目的是基于病人的CT和MRI数据的胫骨,以确保完整的皮质边缘覆盖。用这种方法,病人接受移植优化适合。胫骨平台和插入为最小的骨头切割和设计提供了一个平滑咬合股骨组件的表面。胫骨组件是不同的,因此,它可以提供完整的皮质边缘覆盖,无法实现与传统的植入物(24]。

我们设计了三种不同的胫骨插入放行(图2)。一般来说,平面设计是用于固定支座的胫骨插入UKA [25],它类似于一个定制的固定支座UKA。此外,定制的设计展览在股骨组件的日冕曲率变化和结果在加载点选择弯曲角度弯曲胫骨插入时使用(17,18]。为了解决这个问题,一个平坦的胫骨股骨组件插入是搭配了一个常数日冕曲率,这提供了大范围内恒定加载条件,无论弯曲角(17,18]。因此,我们开发了胫骨插入整合在平坦定制(FC) UKA作为初始设计。第二设计,真正的内侧几何测量和内侧解剖模仿定制(AMC) UKA发达。胫骨内侧插入的矢状截面有凹几何相似的原生内侧胫骨软骨,包括浅曲率克服失踪的半月板提供的稳定。如前所述,股骨组件日冕曲率变化和边缘加载可能发生在符合设计。然而,植入物用于定制UKA,和各种胫骨插入设计可以应用。因此,第三个设计对应于一个符合定制UKA (CC)。此外,定制的UKA股骨组件的设计是一样的。

2.2。有限元模型

三维医学影像数据用于定制UKA设计中也用有限元(FE)的发展模式17,19,20.]。完整的膝关节模型以前开发和验证(17,19,20.),程序可以在文献中找到。有限元模型包含特遣部队和髌股关节(PF)和主要韧带(图3)。

所有韧带束被建模为非线性弹簧,从先前的研究中得到了材料属性(26]。韧带插入点集的解剖获得磁共振成像的话题。描述可用在先前的研究27,28]。韧带是模拟非线性力元素,抛物线和线性方程组如下:如果 , ;如果 , ;如果 , ,在哪里表示韧带的张力,表示韧带应变是每个韧带的刚度系数。线性范围阈值被指定为 。在所有测试场景应用在这项研究中,软组织元素保持在同一位置。骨性结构建模为刚体使用节点壳元素(29日),关节软骨和骨骼之间的接口建模为完全保税(29日]。六双胫股的接触股骨软骨和半月板,半月板和胫骨软骨,软骨股骨和胫骨软骨建模的内侧和外侧的关节(17]。山庄的胫骨插入三个不同的设计匹配原始骨骼解剖使用中性机械对齐,减少胫骨正交日冕胫骨机械轴(17]。转动轴定义为线平行于外侧胫骨底板的边缘通过股骨组件固定挂钩的中心。植入模型,模拟水泥1毫米的差距和组件之间的骨头。股骨组件的材料、PE插入胫骨底板,和骨水泥包括cobalt-chromium-molybdenum (CoCrMo)合金,ultrahigh-molecular-weight聚乙烯(UHMWPE)、钛合金(Ti6Al4V)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),分别为(表1)[17,20.,30.]。股骨与胫骨组件需要接触插入、和体育之间的摩擦系数和股骨组件被选为0.04 (30.]。

有限元模拟包含三种类型的装载条件对应使用的负载实验模型验证和日常活动的预测加载场景。第一加载条件下,150 N是应用于胫骨在30°、90°弯曲有限元膝关节测量前后(美联社)胫骨翻译(19]。此外,第二轴向加载1150 N被应用到模型得到接触应力,是发表的一项研究报告相比菲膝关节模型(29日]。第三加载条件,对应于步态周期,和蹲加载条件下,应用评价膝关节力学。计算分析是由应用AP力量股骨的压缩负荷应用于臀部、受限股内外旋转,自由medial-lateral翻译,膝盖弯曲决定通过结合垂直的臀部和股四头肌的负载。因此,six-degree-of-freedom创建联合特遣部队(31日- - - - - -33]。proportional-integral-derivative控制器被纳入计算模型控制股四头肌的方式类似于前一个实验(34]。控制系统是用来计算瞬时位移的股四头肌肌肉,这是需要匹配同一个目标弯曲概要文件用于实验。内外和varus-valgus扭矩应用于胫骨剩下的胫骨自由度约束(31日- - - - - -33]。

有限元模型分析了使用有限元分析软件(版本6.11;Simulia,普罗维登斯,美国国际扶轮)。这项研究调查并比较了接触应力的PE插入和其他隔间定制UKA设计有三个不同的原生膝盖放行。运动学计算基于Grood和Suntay关节坐标系的定义35]。

3所示。结果

3.1。完整的模型验证

完整的有限元模型相比,使用有限元模型实验的主题进行验证的目的。加载条件下30°弯曲,前胫骨翻译在实验中是2.83毫米和2.54毫米在有限元模型中,和后胫骨翻译在实验中是2.12毫米和2.18毫米在有限元模型中。在90°弯曲,前胫骨翻译在实验中是3.32毫米和3.09毫米在有限元模型中,和后胫骨翻译在实验中是2.64毫米和2.71毫米在有限元模型中。实验结果表明,两者吻合良好使用有限元模型(19]。此外,完整的有限元模型验证通过比较计算结果与先前的研究。1150 N的轴向载荷下,平均接触应力的3.1 MPa和1.53 MPa观察内侧和外侧半月板,分别。都是在6%的2.9 MPa和1.45 MPa接触应力值报告的佩纳et al。29日]。这些微小的差异可能是由于不同的研究之间的几何变化,如软骨和半月板的厚度。之间的显著的一致性验证结果和现存的研究报告的结果表明获得的结果与有限元模型的有效性。

3.2。比较接触应力的PE插入和定制的其他隔间UKA设计三种不同的放行与在本地膝盖在步态周期和蹲加载条件下

图4显示了接触应力的PE插入三个不同的胫骨插入设计定制的步态和蹲加载条件下UKA。在立场阶段步态周期,观察不同PE插入接触应力的三个不同的胫骨插入定制UKA设计。这一趋势也蹲加载条件下观察到的。CC UKA表现出最低的PE插图接触应力下立场步态周期阶段,其次是AMC UKA和FC UKA。在蹲加载条件下,CC UKA表现出最低的PE插入接触应力。在摆动阶段,CC UKA展出PE插图接触应力最高,其次是AMC UKA和FC UKA。

图5显示了不同的接触应力在外侧半月板胫骨插入设计和一个本地步态和蹲加载条件下膝关节。接触应力在本机膝外侧半月板高于在三个不同的胫骨插入设计定制在立场阶段UKA步态周期。接触应力的趋势在外侧半月板也深屈蹲加载条件下观察到的。外侧半月板,如PE插入,表现出高接触应力在立场阶段和低接触应力在摆动阶段为三个不同的胫骨插入设计定制UKA,相比本地膝盖。

图6显示了接触应力在三个不同的关节软骨胫骨插入设计定制的步态和蹲加载条件下UKA。在步态周期中,接触应力在本机膝盖关节软骨在三个不同的胫骨低于插入定制UKA设计。FC UKA和CC UKA表现出较高的接触应力比在本地膝盖关节软骨摇摆的阶段。此外,CC UKA表现出较高的接触应力的关节软骨比本机膝盖弯曲蹲高加载条件下。在步态和蹲加载情况下,接触应力在外侧半月板和关节软骨表明AMC UKA是接近正常的接触力学。

4所示。讨论

本研究最重要的发现是,AMC UKA展品接近原生膝盖接触力学。因此,AMC UKA阻碍进步的OA的隔间。

我们评估接触应力,这是密切相关的退行性膝关节OA的后内侧UKA [36,37]。先前的研究表明,至少随访时间十年之后,内侧UKA与优秀的临床和影像学结果(38]。尽管十年生存率很优秀,射线中蛋白进展的迹象其他隔间38]。理论上,UKA需要有很高的技术过程和精确的组件定位(6,39]。此外,UKA需要挑战由于手术困难,如设备故障、残余疼痛,沉降,OA进展在另一隔间(38,40]。为了克服这个问题,一个定制的仪表技术应用于UKA。

贝尔等人评估的准确性和临床结果定制的仪表实现技术使用固定支座UKA [41]。他们证明了技术可能提供特定的优势,外科医生执行低卷UKA可以改善临床结果和植入UKA生存和取得更大的一致性结果(41]。然而,它是不可能对这种类型的定制的工具来解决形态学的影响关于种族和性别差异。亚洲人口展览一个较小的构建和地位相比西方人口(12]。大多数传统UKA假体设计与高加索体格(42]。在UKA,股骨和胫骨组件的几何匹配切除表面最大程度地提供最佳的稳定性和荷载传递(42]。Koeck等人表示,定制的仪表和植入使用固定支座UKA可以可靠地恢复腿部轴,获得一个内侧胫骨近端90°角,防止植入位置不正,确保最大胫骨报道(43]。不欢而散等人表示,一个常数日冕曲率可以应用于一个定制的UKA通过测量冠状曲率在每个病人股骨髁和平均曲率派生出来的18]。这种新方法结合了独特的定制的几何证明设计概念的好处UKA聚乙烯磨损降到最低(18]。然而,正如前面提到的,定制的UKA应该克服边缘加载选择弯曲角度弯曲胫骨插入时使用(17]。为了解决这一问题,一个平坦的聚乙烯胫骨插入对应的是恒冠曲率股骨组件,这样可以确保恒定加载条件下大面积,无论弯曲角(17,18]。然而,在原生膝盖,内侧和外侧胫骨高原展览稍微凹陷中部高原解剖不对称的几何图形和一个凸侧高原。

结果呈现的模式不同接触压力对聚乙烯胫骨插入和其他隔间定制UKA对胫骨插入不同的设计。CC UKA观察到一个有趣的发现是:CC UKA展出增加接触应力在PE插入在摆动阶段步态周期和高弯曲蹲在加载条件。最具影响力的因素对接触应力是接触面积。因此,CC UKA增加接触面积应该表现出降低接触应力,尽管它并没有表现出这一点。一般来说,符合设计用于手机UKA [36]。然而,在这项研究中,符合设计用于固定支座UKA。异常的运动学和接触应力的增加被观察到,这是类似的摆动阶段和高弯曲。当弯曲增加,胫骨插入的CC UKA,运动恢复类似的接触面积。然而,边缘加载可能发生在一个固定的条件。立场阶段步态和深蹲加载条件下弯曲的弯曲角度没有表现出显著的影响,CC UKA表现出最低的接触应力由于整合的优势。

在外侧半月板,接触应力的趋势类似于PE插入在三个不同的定制UKA胫骨插入设计。这一趋势可能是由于半月板的扮演的角色在保护TF软骨层负载转移。UKA植入时,外侧半月板的接触应力低于在本机膝盖的步态周期加载的立场阶段主要涉及。这主要是由于刚度的变化之间的膝盖内侧和外侧隔间诱导的设备(44]。

在外侧,软骨层的TF展品15 MPa的弹性模量。在胫骨关节软骨层相比,插入展品685 MPa的弹性模量。因此,内侧和外侧的材料特征的隔间相差超过40次。值得注意的是,其他车厢AMC UKA利用接触力学相似的本机膝盖在步态和高弯曲摆动阶段。CC UKA和FC UKA显示运动变化,导致外侧软骨接触应力,因为他们没有恢复胫骨插入整合和本地解剖学。这一趋势被发现摆动阶段步态和高弯曲蹲加载条件。最重要的优势AMC UKA观察在高屈曲的影响剖析模仿胫骨插入是可见的股骨的曲线是维护在股骨组件。

在立场阶段最重要的接触面积是步态周期和深屈蹲在加载条件下,在轴向力主要是可见的。然而,接触面积,以及运动学,也是至关重要的在摆动阶段步态周期和高弯曲蹲加载条件下。不幸的是,股骨和胫骨模仿AMC UKAs膝盖不能保持完美的正常联系机制。变化机制的一个重要因素是由于材料刚度的变化扮演最重要的角色,即使它对应于一个解剖学的模拟设计。此外,胫骨插入不可能完全复制移动半月板的角色特征。一般来说,之间有显著差异的生物力学内侧和外侧半月板(45,46]。内侧半月板移动显著低于外侧半月板由于其对内侧副韧带和较大的插入区域。

临床意义而言,是不可能符合设计适用于胫骨插入定制UKA时发展。Bernasek等人报道令人不满意的结果符合的插入相同类型的固定支座UKA [47]。此外,一项研究表明,明显退行性改变其他车厢发生在只有一个八十七年的膝盖在一个无约束UKA植入(48]。结果支持本研究的可靠性。AMC UKA应该移动特征应用于胫骨插入保护膝关节力学接近原生的膝盖。然而,应用程序符合设计的手机的原因UKA涉及防止轴承错位。因此,剥离机制应考虑防止脱位的应用程序移动特征AMC UKA保存本地膝关节力学。

两本研究的优点如下:第一,不同于以往UKA研究FE模型包括胫骨、股骨和相关软组织(49,50]。第二,与当前生物力学UKA模型,本研究包括步态和蹲式的应用程序加载条件(49,50]。

然而,一些局限性也应该注意。首先,骨结构被认为是刚性的,而在现实中,展品皮质骨和松质组织。然而,这项研究并没有涉及的主要目的评估不同的假体骨的影响。此外,假设产生最小的影响研究,因为骨骼的硬度超过相关的软组织(29日]。其次,计算模型代表一个定制的UKA结果不一定是将扩展到其他植入物的设计,如定制手机UKA。第三,材料属性和附件的韧带被认为在模型中基于值从现存的研究,尽管关于报道值存在显著的差异性。然而,客观不涉及确定韧带力量但确定的实际值变化的影响在一个定制的固定支座UKA对胫骨插入设计对应于股骨组件。此外,利用计算机模拟的一个主题是,我们可以确定的影响胫骨插入定制UKA在相同的设计个人和排除其他变量的影响,如体重、身高、骨几何、韧带属性和组件的大小(51]。

5。结论

解剖学模拟设计,保留本地胫骨插入、接触力学方面表现出显著的改进定制UKA在步态和蹲加载条件。定制的nonanatomic胫骨插入几何UKA导致接触力学异常,包括聚乙烯胫骨插入和另一个隔间。因此,AMC UKA可能代表一个重要的步骤在我们试图恢复本地的功能机制的膝盖。根据结果以及胫骨股骨组件插入定制UKA,保留正常膝关节生物力学和解剖学模仿设计从而可以防止进行性骨关节炎的其他隔间。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Yong-Gon Koh和Kyoung-Mi公园同样应该考虑这个工作和co-first作者。

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