研究背景人工全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty,TKA)是治疗膝关节终末期骨关节炎(Osteoarthritis,OA)的“金标准”,可缓解疼痛,重建运动功能。在前面半个世纪,有关人工关节置换术植入物寿命的研究大多集中于假体材料科学,因此产生了多种理化性能卓越的假体材料。虽然对人工关节材料的研究对进一步延长植入物寿命很有价值,但临床医生逐渐意识到假体几何设计及其对患者运动功能的影响对手术疗效及患者满意度也很重要。尽管仿生学设计、个性化假体的理念不断促进假体设计的改善,但几乎各种研究都认为TKA术后膝关节无法完全达到健康自然膝关节的运动状态。因此,对膝关节置换术患者进行运动学和动力学评估可明确TKA术对关节运动学产生了怎样的影响,为临床诊疗提供参考,并可作为术后疗效评价指标。临床医生和人工关节制造商都希望了解TKA术后患者肢体的运动学与动力学状态,以及TKA假体在人体内的运动情况及力学表现。目前虽然有活体内直接的力学测量方法,但却因技术实施困难,存在难以广泛开展的弊端。计算机模型可以模拟很多实验室无法完成的机械过程及分析运算,成为促进TKA设计和改良的重要工具。随着计算机硬件不断升级发展,计算机三维模型越来越精细,三维模型的动态化力学研究也得以实现。通过建立动态化膝关节三维有限元模型(Finite Element Method Model,FEM Model),模拟TKA术后膝关节活动的力学状态及变化规律成为TKA力学研究的重要手段。然而三维有限元分析最大的问题是实验条件的设置具有较大争议,与假体在人体内的实际受力有较大偏差,更不能实现个性化临床病例的分析。步态分析(gait analysis)则是通过不同手段对个体活动方式进行的检查和评估,是对人体活动的量化。量化性步态分析是辨别正常与异常步态的重要临床工具,已经被长时间应用于临床病情评估、制订治疗策略和治疗效果评价。通过步态检查采集的数据计算关节活动的轨迹和活动中关节的受力情况,可用来间接反映TKA术后关节的运动学与动力学状态。多体系统动力学(multi-bodydynamics,mbd)是研究多体系统运动规律的科学,研究对象一般包括若干个柔性和刚性物体,相互连接构成一个整体结构。人体多体动力学建模可以进行步态周期内肌肉活动和关节接触力的分析,帮助我们理解肌肉协调工作的原理,同时了解骨骼和软组织的受力情况,在建立的模型基础上还可进一步优化改进,完成假体微动分析、假体受力状态分析和体内聚乙烯磨损预测等应用研究。骨骼肌肉多体动力学模型预测的关节力和关节运动可输出至有限元软件进行后续分析,通过该方式获取的应力应变是研究人工膝关节假体磨损的重要参数依据。多体动力学模型考虑了患者骨骼的几何形态、人工关节假体设计,以及关节周围肌肉和韧带的情况,能同时计算出关节运动、关节接触力、肌肉力和韧带力。上述结果参数作为边界条件输入到有限元软件中才能反映假体在人体内的真实受力情况。综上,结合人体多体动力学模型和有限元分析的建模方法可很好地理解人工膝关节的在体受力情况,为改善假体设计和临床病例个案分析提供理论依据。本研究的核心内容分为两个部分:第一部分是采取三维步态分析技术对全膝关节置换术后患者步态参数的改变进行量化对比,以探明tka手术对人体步态和肢体功能的影响,属于观察性研究;第二部分是尝试通过患者骨骼几何模型、假体三维数据和步态分析数据建立个性化骨骼肌肉多体动力学模型,以期能更精确地描述关节活动,并预测关节内受力情况,弥补关节内受力无法在体外测量的缺陷,属于探索性研究。研究方法1、全膝关节置换术后的三维步态分析研究我们使用了捕捉反光标记三维活动轨迹的动作捕捉系统、用于采集地面反作用力的测力台和皮肤表面肌电采集装置进行三维步态数据的采集。采集到的数据包括身体各个部分的相对位置与方向、足与地面的作用力、时间-空间关系和下肢肌肉的阶段性活动。嘱患者以日常行走速度在步道上来回走动,双足均完全踩到测力台为一次有效数据,每位患者采集5至8次有效数据。肌电信号与测力台模拟信号数据通过统一的工作平台同步收集。然后使用cortex实时操作分析软件定义各个光点,提取每个点的三维空间坐标,利用空间几何的方法计算出步态参数,结合测试前采集的患者形态数据进行参数调整与优化。输出结果包括空间参数、关节反作用力、关节活动角度和肌肉活动信号,所有参数在术侧术侧之间对比。2、全膝关节置换术个性化多体动力学建模我们使用了一例接受全膝关节置换术患者的完整数据建立个性化骨骼肌肉多体动力学模型,数据包括ct扫描三维重建获取的骨骼几何模型、三坐标仪扫描获取的人工关节假体三维模型、三维步态分析数据等,基于“依赖于力的运动学”(fdk方法)和弹性基理论,将人工膝关节假体整合到了下肢骨骼肌肉模型中,建立tka术后下肢骨骼多体动力学模型,预测置换后膝关节在步态周期内的屈伸活动、关节力矩及胫股关节和髌股关节的接触力。结果1、全膝关节置换术后的三维步态分析研究步态空间时间参数在术侧与健侧之间的差异都没有统计学意义(p>0.05)。术侧髋、膝、踝三个关节的关节反作用力均值都较健侧有所减小,但差异没有统计学意义(p>0.05)。与健侧相比,术侧髋关节屈伸活动范围没有改变,但最大屈曲角和最大伸直角都明显较小,且差异具有统计学意义(分别为p=0.039,p<0.001);术侧髋关节最大外旋角增大,但差异没有统计学意义(p=0.446),最大内旋角和旋转活动度较健侧都有减小,且差异具有统计学意义(p<0.001)。术侧与健侧在膝关节最大屈曲角和屈伸活动度上与健侧没有明显差异(p=0.185,p=0.194),但术侧最大伸直角较健侧增大(即最大伸直度减小),差异具有统计学意义(p<0.001);术侧最大外翻角及膝关节内外翻活动范围大于健侧,差异具有统计学意义(p=0.023,p=0.002),最大内翻角在双侧无差异;胫骨最大内旋角在术侧显著减少(p=0.025),但最大外旋角和旋转活动范围在双侧无显著差异。踝关节最大背屈角、最大跖屈角和屈伸活动度在两侧间对比没有显著差异(p=0.286,p=0.780,p=0.151);距下关节的翻转运动在两侧之间存在较大差异,其中术侧最大外翻角和最大内翻角都都比健侧增大(p=0.012,p<0.001),翻转活动度显著减小(p<0.001)。双侧臀大肌信号没有变化,股内侧肌、腘绳肌在术侧增强,腓肠肌在术侧减弱,差异没有统计学意义(p>0.05);胫前肌在术侧减弱,信号峰值的差异有统计学意义(p=0.036)。2、全膝关节置换术个性化多体动力学建模我们成功建立了个性化骨骼肌肉多体动力学模型,预测了置换后膝关节在步态周期内的屈伸活动、关节力矩及胫股关节和髌股关节的接触力。结果发现术侧胫股关节和髌股关节的最大屈曲角度没有明显差异,而最大伸直活动度都较健侧降低。术侧膝关节三个方向力矩较健侧均呈现增高的趋势,其中屈(伸)力矩峰值增高约59.2%,内收(外展)力矩增高约18.6%,内旋(外旋)力矩增高趋势最低,约3.5%。术侧胫股关节和髌股关节接触力较健侧降低,其中胫股关节下降约5.8%,髌股关节下降约20.5%。结论1、采取了基于红外动作捕捉的三维步态分析技术对全膝关节置换术后患者步态状态进行了分析。结果显示TKA没有对步态空间-时间参数产生影响,换言之TKA术后12个月后患者行走功能基本恢复正常;但关节运动结果显示术侧膝关节较患侧存在一定的伸直受限,术后膝关节内外翻运动和内外旋运动同样产生了改变,进而引发髋关节、踝关节的运动学继发改变。表面肌电检测结果提示患侧股四头肌和腘绳肌活动加强,提示TKA术后膝关节稳定减弱,需要调动更多的肌肉来维持关节的动态平衡。三维步态分析作为一种客观性、量化性的评测手段,非常适合作为现行临床评估的补充,为临床决策提供更多额外信息。2、基于FDK方法和弹性基理论,将人工膝关节假体整合到了下肢骨骼肌肉模型中,实现了精确的下肢骨骼建模,考虑了关节周围韧带的稳定作用,预测了TKA术后膝关节运动、胫股关节接触力和髌股关节接触力。结果发现术侧胫股关节和髌股关节的最大屈曲角度没有明显差异,而最大伸直活动度都较健侧降低;术侧膝关节三个方向力矩较健侧均呈现增高的趋势;术侧胫股关节和髌股关节接触力较健侧降低。该模型在进一步优化之后可推广到任何个性化人工膝关节置换术后的生物力学研究中,具有较好的通用性,为临床结果评估、假体设计、假体磨损分析等研究提供有效的途径和方法。