研究背景/目的全膝关节置换术中胫骨侧假体的界面覆盖受到骨准备、植入技术及假体设计等因素的影响,但对相关因素间的内在联系和多因素作用下假体系统的应力分布情况缺乏系统的研究。并且当前主流假体系统的设计特征大多基于西方人的研究数据,缺乏国人的解剖学参数和假体设计改进依据。基于此,本研究通过建立本地区人群样本双下肢三维模型并实施虚拟手术,首先评估不同后倾截骨角度和旋转对线对界面覆盖的影响;然后通过图形拟合获得截骨层面解剖学特征并采用图像配准算法对基于界面轮廓的一般多边形最优配准问题进行求解;最后利用有限元分析进一步探究不同后倾截骨角度和界面覆盖条件下假体系统内的应力分布情况,以期为临床手术和优化假体设计提供理论依据。方法1.对1名正常成年人行双下肢全长CT扫描和双膝关节MRI扫描,对3具新鲜尸体进行双膝关节CT扫描,获取二维图像,将图像以DICOM格式导入三维重建软件Mimics 17.0,重建出包含骨、半月板、韧带的膝关节仿真模型和双下肢三维数字模型。在重建过程中以默认骨组织阈值为基准,额外选择阈值为(+50)HU,(-50)HU和(-100)HU的三组重建阈值重建三维模型,评价分割阈值选择对重建模型数据的影响。2.对3具新鲜尸体6个膝关节标本进行胫骨侧截骨操作,分别测量胫骨平台与腓骨小头上缘截骨水平的几何参数,与利用CT重建所获得三维模型的相应参数进行比较,评价三维模型测量的准确性。3.对55名正常成年人(纳入101膝)进行双下肢CT扫描并进行三维重建,以空间向量计算法进行精确的虚拟截骨手术,取得不同后倾截骨角度下(0、3、5、7度)的截骨轮廓;对Gemini假体系统的对称型和解剖型胫骨试模进行X线扫描和数字化处理;采用人工配准的方式取得不同胫骨假体试模在不同后倾截骨角度与特定旋转对线下各象限区域的界面覆盖情况并进行统计学分析。4.通过图形拟合表征本地区人群胫骨三维重建样本在截骨水平的一般解剖学特征并进行测量,分析Gemini和[E]8两套假体系统设计对本地区人群的涵盖情况。利用一致性点漂移算法对基于界面轮廓的一般多边形最优配准问题进行求解,分析趋近最大化覆盖条件下四款胫骨侧假体的自由旋转对线和植入定位情况。5.利用已完成重建的膝关节仿真模型和双下肢三维数字模型模拟全膝关节置换进行标准虚拟截骨和Open Knee假体系统安装。将各部件导入Geomagic 2012完成模型优化与实体化,在Hypermesh 14.0中进行网格划分,定义各部件的材料属性,确定载荷和边界约束,建立有限元静力分析模型。6.通过保留与去除自然膝中部分附属结构、装配假体系统于不同后倾截骨角度下(0、3、5、7度)的膝关节模型以及改变胫骨侧假体的界面覆盖,在Optistruct 14.0中分析周围附属结构对自然膝应力分布的影响,比较不同后倾截骨角度和骨-假体界面覆盖条件下膝关节假体系统内的应力分布变化。结果1.重建模型表面积随着阈值选择值的加大而逐渐增大,默认阈值和基于默认阈值±50HU两组的表面积差异无显著统计学意义,与默认阈值-100HU组相比有显著差异;一致性检验分析显示基于尸体标本实际测量和基于CT三维重建测量的两种方法的组内相关系数为0.991,平均误差为1.34±0.97%。2.随着后倾角度的加大,胫骨截面平均面积随之加大,并且不管任何后倾角度下,男性的平均截面积均大于女性。当后倾角度在0-7度变化时,Insall对线的平均覆盖率为85.19%到87.22%,Akagi对线为83.21%到85.96%,均随着后倾角度加大而加大,且前者的平均覆盖率始终较高,差值范围为1.26%到2.22%(p<0.001)。此外,5度与7度后倾截骨下的平均覆盖率比0度与3度均有显著性升高。当使用对称型或解剖型试模时,采用后倾5度或7度截骨,前内侧、前外侧、后内侧以及后外侧区域内的平均缺损率和悬挂率差异都具有显著统计学意义,除使用解剖型试模下的后外侧区域。3.男性平均界面覆盖率要显著高于女性,仅在采用对称型和解剖型假体在0度后倾加Akagi对线下以及采用对称型假体在0度后倾加Insall对线下两者差异不大。当采用Insall对线在5度与7度后倾截骨时,不管使用哪种假体,男性的后叉韧带止点区域面积始终较女性小并且在后内侧区的缺损率也较女性大。相比男性,女性的前内侧区存在较多缺损并伴随着较少的悬挂。在采用7度后倾时,在对称型试模下女性的前外侧相比男性存在显著悬挂,而在解剖型试模下男性的前内侧悬挂较女性显著。4.本地区人群样本双下肢三维模型中所有胫骨截骨面的平均横径为77.7±6.6mm,平均前后径为46.8±4.0mm,平均内侧前后径为46.2±4.2mm,平均外侧前后径为44.5±4.1mm。男性的相关数据均显著大于女性,但其横径与前后径比值平均为1.66±0.04,内外侧前后径比值平均为1.04±0.07,均无显著男女差异。内侧平台前后径较外侧平台前后径平均长1.8±3.0mm,有显著统计学差异,并且内侧与外侧平台前后径有着显著的正相关。此外,存在15例外侧平台前后径大于内侧,24例内外侧平台的前后径相差在2mm以内,两者占到了总数的37.9%。5.本研究中胫骨试模对本地区人群样本截骨面内外侧前后径和相应比值的涵盖上,解剖型设计优于对称型;回归分析显示对于外侧前后径小于45-50mm的试模在设计时应扩大其内外侧前后径的差异,相反对于大于45-50mm的试模,则相应减小差异。在胫骨试模对截骨面横径与前后径,及其相应比值的涵盖上,解剖型设计优于对称型。回归分析显示当前试模应减小横径绝对值以及横径与前后径的比值(当前为1.8)以更符合本地区人群样本。6.采用算法求解趋近最大化覆盖配准下,仅23%的胫骨试模处于旋转不良的位置且每款假体的旋转不良例数相近。算法配准下的总体平均覆盖率为85.62±3.65%,Gemini假体的平均覆盖率要显著低于[E]8假体。算法配准下的胫骨试模总体平均旋转角度,相较于Insall对线为-0.73±4.53度。算法配准下的胫骨试模前后轴平均占腱百分位由髌腱内侧起算为26.95±14.71%,处于髌腱中内1/6到中内1/3的位置但个体差异较大。7.模拟人自然站立下,股骨在保留侧副韧带和腓骨与去除以上结构时应力变化情况不大,其局部最大应力均位于股骨距和股骨干中下三分之一的前内侧;胫骨在去除腓骨和侧副韧带时,其主要应力集中在中下三分之一处,以内侧为主;胫骨平台与半月板的最大应力和应力集中区域主要在内侧。腓骨对胫骨骨干的应力分布有较大影响,但侧副韧带与腓骨等附属结构的存在与否对关节间隙与关节面应力分布的影响不大。8.在简化的膝关节模型中模拟关节置换显示,当截骨后倾角度在0至7度变化时,股骨假体的峰值Von Mises应力在3度后倾时最大为123MPa,在5度后倾时最小为15MPa,随着后倾角度的的增大,呈先上升后下降的趋势;并且随着后倾角度的增大,应力分布从相对均匀转向外侧集中;而聚乙烯垫片的峰值Von Mises应力随着后倾角度的增加逐渐增大,从11MPa增大到29MPa,分布区域变化不大,以后外侧集中为主,但应力集中点随着后倾增大而逐渐减少;胫骨假体的峰值Von Mises应力随着后倾角度的增加从15Mpa增加到17Mpa,应力集中区主要在胫骨假体与骨界面,分布区域变化不大,以后外侧集中为主,应力集中点也随着后倾角度增大而逐渐减少。假体系统内的峰值Von Mises应力远大于股骨与胫骨且受股骨假体影响最大。9.通过增加垫片和胫骨假体3%的尺寸来模拟骨-假体界面覆盖率增加的情况,结果显示仅在3度后倾时,股骨假体峰值Von Mises应力从123MPa下降到44Mpa;而在聚乙烯垫片、胫骨假体的峰值Von Mises应力改变以轻微上升为主,分布区域和应力集中点未有明显变化。结论1.三维模型的重建结果仅在分割阈值选取波动范围较小时具有稳定性,采用计算机辅助联合人工修正的阈值分割方法可以重建出真实可靠的目标三维模型。2.对于三维模型的虚拟手术可以通过空间向量计算法精确实现。本研究中当截骨后倾角度在0至7度变化时,覆盖率随着后倾角度的增大而增大,使用Insall对线和5度或7度后倾能取得更好的胫骨侧界面覆盖;男女的界面不匹配模式存在显著差异,膝关节假体设计应重视性别差异。3.本地区人群样本在7度后倾截骨时的截骨轮廓个体差异较大;当前的胫骨假体应在不同型号范围间进行试模尺寸差异化设计和减少绝对横径以更符合本地区人群样本的解剖学特征。4.图像配准算法能有效辅助人工进行试模与截骨面的配准,当前的胫骨假体设计在趋近最大化覆盖时,并不一定会引起轴向旋转不良的发生;本研究中胫骨假体试模前后轴对准胫骨结节中内1/6至1/3之间能取得更好的界面覆盖。5.截骨后倾角度由0度增加至7度过程中,假体系统峰值应力呈现先上升后下降、应力分布向外侧集中的趋势;模拟增加界面覆盖并未对峰值应力、应力分布等产生显著影响。