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人工全膝关节置换术中,胫骨假体位置的摆放对置换术后假体使用寿命与术后患者功能恢复有极大的影响。在膝关节置换术中,胫骨假体摆放位置主要依靠胫骨冠状位力线与轴位旋转力线确定。因此,准确的确定冠状位力线与轴位旋转力线成为膝关节置换术成功的重中之重。目前单独研究二者对胫骨假体稳定性影响的研究较多,但极少有关于胫骨旋转与TKA术中确定胫骨力线准确性间关系的研究。目前确定胫骨冠状位力线的途径仍是通过双下肢全长位X线片测量,有些医院因条件限制无法获得足够长度的平片,因此,临床需要一种仅通过胫腓骨近端X线片即可预测胫骨冠状位力线的方法。通过大量临床工作,笔者发现内翻膝OA患者通常在TKA术中胫骨截骨后,胫骨近端内侧仍存在硬化骨,而目前尚无胫骨近端硬化骨对TKA术后胫骨侧假体稳定性的研究。临床工作中,胫骨假体组配延长杆可以增加假体稳定性已被部分关节外科医生所认同,而目前尚缺少在生物力学方面对胫骨假体延长杆作用的证实。与此同时,尚无精确的分析延长杆长度与TKA术后假体稳定性关系的研究。因此,本研究旨在通过三维重建技术,阐述胫骨自身的旋转对TKA术后胫骨侧力线的影响;在胫骨近端正位平片中找到一条新的通过近端胫腓骨解剖标志即可画出的胫腓骨标志线,即便有不同胫腓骨旋转条件干扰下,依然有较好的预测判断胫骨冠状位力线的可靠性;利用有限元生物力学模型,研究在不同力线条件下,不同厚度的胫骨近端硬化骨对胫骨假体稳定性的影响;以及精确分析胫骨假体延长杆长度与假体稳定性的关系。为全膝关节置换术中胫骨假体的选择、假体安放位置的确定、胫骨力线的预判提供实验理论依据。同时,为预防胫骨平台假体松动,提高膝关节置换术假体生存率奠定生物力学理论基础。本研究共分为一下五个部分:第一部分:人工全膝关节置换术后胫骨三维几何模型与有限元生物力学模型的建立与验证。本章节对因膝关节骨性关节炎于我科行TKA手术志愿者双下肢薄层CT,利用Mimics软件将胫腓骨影像筛选,进行三维处理、修饰、建模,得到胫腓骨三维模型。在三维模型基础上,使用3-matics软件进行模拟TKA手术截骨并安装假体。将组配好的TKA术后模型导入Hyper Mesh软件,划分网格并增加材料赋值、边界条件与载荷。通过后处理运算得到有限元生物力学模型。将模型的应力分布与相关形变分析结果与其他相似研究中的生物力学模型进行比较,验证了我实验TKA三维模型和有限元生物力学模型的准确性与可靠性,为接下来的三维模型测量、生物力学实验与分析奠定了研究基础。第二部分:利用三维建模技术分析胫骨旋转对人工全膝关节置换术中胫骨截骨力线的影响。目的:本研究目的是:1.利用3D技术建立更接近临床操作的胫骨旋转评价机制,测量胫骨旋转;2.研究胫骨旋转与TKA术后假体力线偏差的关系;3.模拟截骨同时结合临床结果,来评估髓内定位系统与髓外定位系统在力线确定准确性上的差异。方法:共有55例术前大于10°内翻OA患者病例纳入研究,按照术后胫骨假体力线偏差分为三组:术后内翻组、中立组以及外翻组。基于临床操作的新胫骨旋转测量方法与传统旋转测量方法同时测量近端远端旋转。同时,在术后胫骨侧假体内翻与外翻的3D模型中,模拟髓内定位截骨,测量差异以比较胫骨旋转对截骨力线的差异以及髓内定位是否对力线偏差有改善效果。结果:根据新胫骨旋转测量方法,术后外翻组相较于其他二组胫骨近端旋转较小,而远端旋转较大(P=0.03,P=0.02)。用传统方法比较,胫骨近端旋转与远端旋转差异无统计学意义(P=0.782,P=0.753)。术后外翻组在髓内定位系统引导下,模拟截骨术后力线偏差改善,而在术后内翻组无明显改善。结论:用新的胫骨旋转评价体系评价内翻膝骨性关节炎患者时,胫骨近端内旋过小同时远端外旋过大时,应用髓外定位系统术后胫骨假体容易出现力线外翻畸形,此时使用髓内定位可能对降低术后胫骨假体力线偏差有所帮助。第三部分:人工全膝关节置换术中利用腓骨近端评估标志线预测胫骨力线的可靠性分析目的:本研究目标为:1.建立新定义的腓骨近端评估标志线(Proximal Fibular Assessment Line),以通过膝关节平片即可预测胫骨机械轴;2.比较新定义的腓骨近端评估标志线与前人研究中的各腓骨标志线在预测胫骨力线方面的准确性;3.分析膝关节平片投照时由于体位或投照误差对各标志线准确性上的影响。方法:30例通过双下肢CT重建的3D胫腓骨模型纳入本研究。分别建立坐标系后将各模型分别沿胫骨机械轴旋转至0°中立位,5°内旋位,10°内旋位,5°外旋位,10°外旋位并投影至各坐标系冠状位面上,以模拟不同膝关节旋转角度下拍摄的膝关节平片。并测量腓骨评估标志线(Fibular assessment line,FAA),内侧腓骨皮质线(medial tibiofemoral line,MTA),腓骨线(Tibiofemoral line,FLA)与腓骨中轴线(fibular shaft axis,TFA)在各膝关节不同旋转角度时,与胫骨机械轴的夹角。夹角在3°以内考虑为可靠,按此方法分别测量统计不同膝关节旋转角度下各腓骨标志线的可靠率。结果:所有测量的观察者间(ICC范围:0.78-0.89)和观察者内(ICC范围:0.85-0.98)的可靠性(reliable rate)均令人满意。不同胫腓骨模型旋转角度位置,在坐标系冠状位中测得各标志线与胫骨机械轴间角度中位数:0°中立位:FAA 0.98°,MTA 1.7°,FLA 2.67°,TFA2.37°;5°内旋位:FAA 1.22°,MTA 1.76°,FLA 2.95°,TFA2.26°;10°内旋位:FAA 1.29°,MTA 1.65°,FLA 2.87°,TFA2.17°;5°外旋位:FAA 1.53°,MTA2.07°,FLA 2.53°,TFA2.48°;10°外旋位:FAA 2.2°,MTA 1.7°,FLA 2.52°,TFA2.02°。除胫腓骨旋转处于10°外旋位外,不同膝关节体位旋转角度中测量的FAA与其余3种腓标志线夹角均有统计学差异(P<0.001-0.049),各胫腓骨体位旋转角度中测量的FAA之间无统计学差异(P>0.05)。除胫腓骨10°外旋位外,FAA的1°可靠率与3°可靠率均为4种腓骨标准线最高。结论:膝关节平片中,腓骨近端评估标志线相较于其他腓骨标志线可以更准确的预测胫骨冠状位力线。在平片投照中膝关节处于中立位或适度的内旋时该线预测胫骨冠状位力线亦有良好的准确性。第四部分:人工全膝关节置换术中胫骨近端硬化骨与不同角度截骨力线对假体稳定性影响的有限元分析目的:本研究目的为:1.确定内翻膝患者胫骨硬化骨的分布范围;2.研究胫骨近端内侧不同厚度硬化骨在使用三种不同胫骨力线(运动学力线-内翻3°、机械学力线-中立0°及外翻3°)截骨情况下,对假体稳定性的影响;3.确定胫骨假体延长杆对假体稳定性的帮助。方法:对内翻膝胫骨平台内侧的硬化骨进行三维测量,根据硬化骨的部位和厚度进行分类;根据分类建立有限元模型,模拟不同截骨力线,测量胫骨与胫骨假体的应力分布和假体远端的相对位移以及胫骨假体延长杆对稳定性的影响。结果:严重内翻膝OA患者中,胫骨近端硬化骨基本位于内侧平台面积3/9至5/9处,按照厚度可以分为5mm,10mm和15mm三类。在所有硬化骨模型中,无胫骨近端硬化骨的中立位截骨(MA)模型中胫骨假体远端相对位移最小,胫骨近端最厚硬化骨(15mm)的内翻截骨(KA)模型中胫骨假体远端相对位移最大。在相同厚度的硬化骨模型中,KA截骨时假体远端相对位移最大,MA截骨时假体远端相对位移最小。随着硬化骨厚度增加,KA截骨与MA截骨时假体远端相对位移均变大,外翻截骨假体位移变化不明显。胫骨近端存在硬化骨并KA截骨时,应用延长杆假体较正常假体远端相对位移减少。结论:对于严重内翻膝OA患者,胫骨近端硬化骨对胫骨假体稳定性影响明显。当存在相同厚度的硬化骨时,对KA截骨时假体稳定性影响最大,对MA截骨时假体稳定性影响最小。使用延长杆能有效提高内翻截骨同时近端带有硬化骨时的胫骨假体稳定性。第五部分:胫骨假体杆长度对人工膝关节置换术中假体稳定性影响的有限元分析目的:本研究目的为确定中国北方人种患者行初次TKA时,在0°与3°后倾截骨条件下,胫骨平台延长杆最长使用范围;以及在此范围内,不同长度胫骨平台延长杆对假体稳定性的影响。方法:对内翻膝胫骨进行三维建模并模拟手术,在不同后倾截骨条件下,记录延长杆与胫骨皮质碰撞时的长度,并确立为胫骨假体组配延长杆后最大杆长度;根据可使用胫骨假体杆长度范围建立有限元模型,模拟TKA术中使用不同长度杆的胫骨假体,测量胫骨与胫骨假体的应力分布和假体远端的相对位移以及不同长度延长杆对稳定性的影响。结果:模拟0°后倾截骨,最大胫骨假体杆长度(83,79±24mm),排除胫骨近端内侧角(MPTA)影响,进行回归分析,得出如下结果:0°后倾截骨胫骨平台假体最大杆长度=0.306*胫骨长度-22.477,(r=-0.412,p=0.013)。模拟3°后倾截骨,最大胫骨假体杆长度(83,83±20mm),胫骨长度对最大杆长度影响不大(P>0.05)。按照可使用最大杆长度范围可以分为40,50,60,70,80 mm五类,0°与3°后倾两组。在两组所有长度的模型中,80mm杆长度模型在各组中胫骨假体远端相对位移最小(0°:2.63,1.61±0.05um,3°:1.48,1.44±0.09um),40mm杆长度模型在各组中相对位移最大(0°:3.16,3.19±0.12um,3°:1.84,1.81±0.07um)。随着胫骨假体杆长度在40-70mm范围内增加,不同后倾截骨时假体远端相对位移均变小,而在70-80mm范围内增加杆长度,假体远端相对位移变化不明显。结论:在人工全膝关节置换术中,无论胫骨0°,3°后倾截骨,胫骨平台假体杆的长度均对胫骨假体稳定性影响明显。然而,随着胫骨假体杆长度的增加,并不能持续增加胫骨假体的稳定性。随着杆长度在40-70mm间增长可以逐渐增强假体稳定性,但超过70mm时继续增长杆的长度则增强稳定性效果不明显。