一个方法来开发定制的全膝关节置换植入物

文摘

全膝关节置换(唯一)表现为晚期膝关节关节炎患者减轻疼痛和增益函数。大多数膝关节置换患者可以获得满意的膝盖功能;然而,植入膝关节的运动范围是可变的。有许多唯一植入物的设计;它已经被一些研究者建议定制植入物可以为患者提供一个更好的选择。目前,可以创建一个病人的膝盖三维模型从磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)数据使用图像处理技术。膝盖模型可以用于特定的植入物的设计、生物力学分析,并创建截骨导块。研究人员已经开发出特定的肌肉骨骼下肢与全膝关节置换模型,模型可以用来预测的肌肉力量,联合部队在膝盖侧,穿的胫骨聚乙烯插入。这些可用的技术使其可行的为个别病人创建定制的植入物。方法和工作流的创建一个定制的全膝关节置换植入物改善唯一运动学和函数进行了讨论和提出了。

1。介绍

全膝关节置换(唯一)已经被广泛用于缓解骨关节炎疼痛,和它建立了一个成功的先进治疗退行性关节疾病。唯一有望上升由于老龄化,肥胖,和公众的期望。一个典型的唯一植入金属股骨组件,一个金属胫骨托盘,聚乙烯插入,聚乙烯按钮。唯一的主要目的之一是让病人术后行走;然而,米尔纳(1]表明,一些病人仍异常后唯一行走。改变步态模式并不一定意味着唯一已经失败了,但它可能影响病人的功能在日常生活能力。例如,更多的疼痛、关节僵硬、不能走路,不稳定,长腿,和宽松的膝盖植入病人的报告。Bonnefoy-Mazure et al。2]介绍了他们的膝盖的演变研究步态运动学膝关节骨关节炎患者之前和三个月后唯一;他们指出,大多数患者的残疾仍然是重要的三个月后唯一。他们建议更好的理解障碍和功能限制手术后将有助于临床医生设计的康复计划。拉赫曼et al。3)表明,甚至在手术后12个月,许多唯一患者相对于术前状态没有改善他们的步态。异常的运动学,唯一可以减少股四头肌的效率和改变髌骨力学,和病人就不会正常膝关节的感觉。要求高的运动,如蹲和跪需要全膝关节置换提供更好的功能。Lavernia et al。4)还指出,平均骨矿物质密度(BMD)在股骨髁的前区唯一标本明显低于正常标本没有关节成形术,最有可能由于应力屏蔽。

在过去的几十年中,有试图创建一个更自然的感觉和解剖唯一。本文的目的是审查唯一的最新发展,然后提出一种方法使定制的全膝关节置换植入物可以功能尽可能接近正常的病人的膝盖。

1.1。复习的方法

相关的文献综述进行了唯一使用PUBMED数据库(美国国家医学图书馆和国家卫生研究所)。有336篇论文可以通过PUBMED搜索查询(修订2017年9月25日)使用“全膝关节置换/关节成形术”和“患者特定的仪器。“然而,有68篇论文可以通过PUBMED搜索查询(修订2017年9月25日)使用“全膝关节置换/关节成形术”和“定制。”其中68篇论文论文相关膝盖替换和特定的仪器(PSI)或植入物的设计。最近的有审查论文PSI罗德里格斯和Gutierres5)和Alcelik et al。6];因此,本文将重点讨论定制唯一植入和肌肉骨骼(MSK)膝关节造型。相关论文搜索ScienceDirect(爱思唯尔)也发展了定制的唯一。

2。全膝关节置换的设计

市场上有很多唯一植入物;每个人都有其设计原理。不同的植体设计的目的是,提高病人的满意度,提供接近正常运动学。股骨髁在矢状面可能是圆形状,如图1(一)或者multicircles如图1 (b),“j曲线”的设计也采用股骨组件。一个椭圆形的设计如图1 (c)。一些植入设计相同的内侧和外侧关节表面,如图2(一个);然而,不对称的关节表面还设计了实现接近自然膝关节运动学如图2 (b)。

唯一的内侧间室的运动通常是简化成球形;然而,聚合股骨外侧髁surface-guided膝盖植入设计控制关节的运动。外侧髁可能旨在产生一个常量或变量轴承内侧髁间距离和外侧髁。在唯一达到接近正常运动学,沃克(7]表明,膝盖植入内侧稳定和横向流动特征应该设计。例如,SAIPH™膝盖(英国MatOrtho)设计有膝盖内侧主运动模式和非对称股骨外侧髁后翻译的模仿自然膝盖运动。Shimmin et al。8)研究期间,videofluoroscopy SAIPH膝关节的稳定性四个不同负重活动。他们得出的结论是,膝盖内侧符合总显示与胫骨内侧主运动内部的旋转。然而,带有愤怒et al。9)表明,一个内侧主模式并不能有效的控制临床成功后唯一根据术中运动学和现代的结果的措施。他们指出,进一步的研究是必要的,以确定如果一个特定的运动模式促进最佳的临床结果。

金等。10]相比high-flexion唯一与其他植入物植入和得出结论,没有改进的活动范围,临床结果,发病率的射线可透过的线条尽管high-flexion假肢的运动优势的理论范围。李等人。11]研究了膝关节的运动学与临床结果的唯一和得出结论,唯一可能的影响因素如术前后的活动范围,弯曲空间平衡,股胫关节接触后稳定,股四头肌收缩。

关于植入穿,Abdelgaied et al。12]研究胫骨插入从众的影响和材料在全膝关节置换穿;他们得出的结论是,预期的唯一一生可能增加了不符合标准的唯一植入。然而,由于noncongruent有时不稳定的唯一形式,穿是一个常数问题。Massin [13]报道,穿可以减少通过改进技术,如选择植入物大小、组件对齐,并调整平衡。

卡勒et al。14]的结果126年相比单独定制植入和122标准现成的植入病人接受唯一。他们发现,单独定制了植入患者输血率有显著降低,在不增加额外成本的情况下减少副反应率。白色和Ranawat [1521)评估操纵率和临床结果针对病人的唯一和现成的唯一。他们发现特定的膝盖准确恢复解剖结合线和后髁的抵消;然而,特定的唯一与操纵率较高和较低的满意度比现成的植入物。定制的比较研究cruciate-retaining唯一和非对称髁的cruciate-retaining TKA由西et al。16),他们得出的结论是,定制的cruciate-retaining唯一证明运动学更类似于一个正常的膝盖。

许多研究表明,女性比男性明显狭窄远端股骨髁宽度。明智的et al。17]表明,远端股骨和胫骨近端膝盖形状相差性和建议进一步研究了解影响变形模式对骨关节炎的发展。李等人。18]利用三维解剖模型显示的形状和峰值位置前髁槽有性别差异,他们指出,滑车沟的形状和高度的前内侧髁需要设计特定性别。

定制的唯一植入了基于病人的MRI / CT数据。图3(一个)显示一条曲线l₁在矢状面;这条曲线是一个髁概要文件相匹配的病人的膝盖的形状。圆曲线和其他曲线l₂创建基于患者膝关节模型。曲线l₂沿着曲线扫描l₁从A点到B点并创建一个髁关节面。b两髁概要文件之间的距离,它是决定从病人膝关节模型。

卡尔和他(:19回顾膝关节置换和生物力学;他们指出,磨损和固定等问题已经成为更重要的膝盖植入的长期使用。膝盖植入收件人今天比以往任何时候都更活跃;因此,设计自然膝盖植入模拟病人的满意度和长期生存的关键。

3所示。3 d打印不同的仪器

下肢机械轴恢复是非常重要的长期生存的唯一。最近,针对病人的仪器或特定的砧板/指导开发,以帮助改善机械轴对齐。医学图像处理创建三维模型,以及3 d打印技术的发展。有增加使用3 d打印技术在特定病人的治疗。可以使用3 d印刷主要创建特定的解剖模型,定制模具,手术指导,植入物。据报道,针对病人的指南或砧板可以提供指导外科医生在手术过程中,这可以减少组织损失和优化植入物的定位。远端股骨切割指南图所示4(一),它是用来插入导针在唯一砧板。胫骨切指南图所示4 (b)。

MRI和CT成像技术已被用于创建特定的指南。MRI能占剩余关节软骨;因此,切割指南可以涵盖了广泛的接触面积,可以直接放在骨头和残余膝关节的软骨。CT无法占剩余软骨;相应的指导必须依靠多个骨站点。Frye et al。20.)认为一个MRI-generated模板比CT-based指南。

病人膝盖形状是众所周知的是不同的;唯一植入影响关节的表面几何一致性和接触力学。有人建议由帕蒂et al。21),定制的膝盖替换从CT扫描到3 d打印技术,定制的削减措施,和定制合适的模板可以减少操作时间,保证良好的对齐。Ganapathi [22]讨论了使用特定的技术指导(PSG)执行唯一;PSG取代传统的夹具。生产PSG,计算机三维模型的创建股骨远端和胫骨近端和模型是用来计划操作,产生负面模具患者的股骨远端和胫骨近端。可以节省手术时间取决于外科医生的经验和熟练程度与PSG技术。Ganapathi [22)认为PSG的优点是显著的足够的适应和PSG的准确性。

Goyal和Tripathy23)调查使用PSI全膝关节置换的功能结果。他们指出,PSI不是patient-matched植入和植入设计的主要焦点应该创建patient-matched植入。Goyal et al。24]研究植入设计PSI准确性的影响,他们得出的结论是,植入设计的差异可以影响骨切除和组件对齐的准确性对于一个给定的PSI设计系统。

然而,罗德里格斯和Gutierres [5)审查之间的比较研究特定的仪器(PSI)和唯一的标准仪器,他们指出,PSI没有一直被证明是成本效益或提供任何临床效益功能评分。需要更多的研究和更长的随访期间对PSI疗效做出明确的结论和特殊情况的潜在适用性PSI。一个类似的研究Alcelik et al。6)表明,PSI并不优于圣仪表全膝关节置换术在初级。

4所示。下肢肌肉骨骼模型与全膝关节置换

公园等。25]研究下肢肌肉与疼痛的关系,函数,额平面步态运动学骨关节炎患者。他们证实,病人膝关节骨关节炎,减少髋部,膝盖扩展,膝盖和脚踝反转强度,但峰值增加内收在步态。此外,肌肉力量发挥了重要作用在骨关节炎患者自我报告的功能和步态。

肌肉骨骼模型可以使用软件如任何人和Opensim创建。下肢肌肉骨骼模型唯一植入如图5(一个),它主要包括下肢肌肉。一个正常的下肢肌肉骨骼模型如图5 (b),膝关节是简化为一个枢接有一个理性的自由度。

知识的肌肉和关节负荷评估唯一植入物的性能是很重要的。如果膝盖是假设枢接在MSK的模型,它会产生错误的结果在膝关节肌肉力量和时刻作用在额叶和横向飞机。沃尔特和打手心26)模拟膝关节关节接触加载在水平步行和楼梯后裔,他们将六自由度股胫关节模型集成到一个正向动力学仿真框架。内侧和外侧股胫关节接触负荷预测具有良好的协议与实验数据的膝关节负荷水平行走。

下肢肌肉骨骼模型被用于关节力学和运动学分析。许多研究人员已经尝试不同的方法来创建肌肉骨骼模型。Knarr和之后27)提出了一个实用的科目的膝关节接触力的估算方法。的膝盖会计统计有限元模型形状和排列变化是由Rao et al。28),该模型可用于研究膝关节力学和植入物的设计。宫等。29日]讨论了准确的重要性对肌肉骨骼肌肉几何模型与模拟。他们结合了非线性缩放技术中的过程重建骨骼不完整或散射几何数据;这种方法可以预测基于骨骼肌肉几何图形的形状。在全膝关节置换,中性的机械校准通常是有针对性的。诺尔特et al。30.)指出,运动的对齐对齐基于prearthritic下肢可以让更好的膝盖恢复生理功能。乌尔里希et al。31日]研究了步态的长期数据特点和moment-knee角关系女性全膝关节置换患者,他们发现病人显示显著的步态赤字在常数和自我选择的步行速度和较低的平均绝对值moment-knee角关系的膝盖两种和屈肌。鲍德温et al。32从成像数据)开发与有限元模型。他们展示了一个集成的方法来促进有限元分析和膝盖的统计形状模型结构。

肌肉骨骼模型可以用于植入磨损分析。唯一植入历来在膝盖穿模拟器测试来确定其抵抗磨损的能力。的计算模型可用于预测穿一样植入由张et al。33),他们创建了一个特定的磨损预测框架唯一植入肌肉骨骼多体动力学和有限元分析相结合。一个有趣的研究是由陈et al。34],他们创造了一个完整的下肢与肌肉骨骼模型扩展的通用MSK的模型根据病人的CT图像和步态数据集。在这个模型中,一个全膝关节置换植入物是模仿。接触和韧带力量使用force-dependent运动学方法预测。这种方法是非常有用的对于design-customized唯一植入物。施等。35)计算模型用于预测压力唯一植入;该模型用于比较植入物的性能。Pejhan et al。36)的运动学性能评估定制surface-guided唯一植入使用虚拟仿真和load-controlled膝盖穿模拟器。他们得出的结论是,虚拟仿真是一个有效的工具,用于未来的评估定制surface-guided唯一植入物。王等人。37)患者行走时膝盖力量和力学计算现代现成的唯一或定制bicompartmental膝关节置换后一年参与。他们得出的结论是,bicompartmental膝关节置换患者具有更好的强度和力学在执行日常活动。

病人的步态数据集是用于造型,这可能提高获取步态数据的问题。膝盖步态运动学的进化之前和几个月后膝骨关节炎患者全膝关节置换研究和提出了Bonnefoy-Mazure et al。2和拉赫曼等。3]。Kramers-de凯尔万et al。38)报道,两年后唯一有显著改善步态速度,节奏,和大部分的地面反应参数;然而,在装卸操作的腿仍低于对侧腿。因此,病人的术后两年步态可以预测病人的术前测量步态。与病人的步态数据,一个定制的唯一植入可能发达。

5。讨论

基于前面几节中描述的进步,一种新方法,不同于当前定制膝盖植入设计提出了本文。这种方法的重点是使用特定的加载和步态数据集进行膝盖植入设计除了膝关节解剖特点。创建一个定制的唯一的程序植入图所示6。

设计一个自定义的唯一植入,3 d电脑模型从CT扫描或MRI应该首先创建。病人的步态和脚反应部队将测量术前和用于预测负荷和膝关节的运动学。术后病人的步态特征可以预测使用派生的测量术前和术后的步态数据集之间的关系;然后,使用预测病人步态MSK的造型。唯一植入物之间的交互和膝关节动力学将使用MSK的评估模型。最优唯一膝盖植入应该复制功能,维持骨植入界面完整性和抵抗磨损。唯一的运动学和加载植入唯一的成功非常重要。创建一个定制的唯一植入,迭代过程需要优化压力,材料磨损,和膝关节运动学。

定制的唯一植入有可能大大提高膝关节运动学和比现成的唯一植入患者膝关节功能。然而,进一步的研究需要进行定制的唯一植入物用于病人。

6。结论

定制的全膝关节置换植入物之前设计考虑膝关节解剖形状;然而,下肢肌肉骨骼模型的最新发展,迫使相关运动学,磨损模拟,可以开发一个定制的全膝关节置换植入物,提高病人满意度。工作流的方法定制唯一植入了。定制的全膝关节置换植入物不仅会复制膝关节的形状也恢复正常的术后病人的步态。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持由中国自然科学基金会(11472185和11472185号)。

引用

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