股骨假体内外旋安装误差与患者骨质疏松复合影响下的单髁膝关节置换的生物力学研究

Abstract

Mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty (UKA) is prone to rotational malalignment of the femoral component. Moreover, existing biomechanical studies frequently overlook the mechanical impact of patients’ bone quality on such surgical errors. To investigate the coupling effect of femoral component transverse rotation and bone quality on the biomechanical environment, a finite element model incorporating intact soft tissues was constructed. Based on bone mineral density variations, three models were established: normal bone (B1), osteopenia (B2), and osteoporosis (B3). Nine rotational conditions ranging from –14° to 14° in the transverse plane were simulated. Quantitative analysis revealed that external rotation significantly elevated the contact pressure on the polyethylene liner. Conversely, internal rotation (–14°) increased the lateral meniscus stress by approximately 16.8% compared to the neutral alignment (0°) via a “linkage mechanism”. Group B3 exhibited a pseudo “cushion effect”, wherein the peak strain of the tibial cancellous bone reached 5 883.9 µε, exceeding the pathological threshold of 4 000 µε; additionally, compared with Group B1, their average strain in the cortical bone increased by approximately 79.7%. In conclusion, transverse rotational malalignment of the femoral component serves as a direct mechanical trigger disrupting the biomechanical balance in UKA, and osteoporosis significantly amplifies this risk of failure. Therefore, for patients with compromised bone mass, strict neutral alignment must be pursued intraoperatively to circumvent cancellous bone microfractures and early prosthesis subsidence.

0. 引言

膝关节骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是导致成人残疾的首要原因之一^[1]。治疗KOA的膝关节置换手术主要分为全膝关节置换术和单髁膝关节置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）。与全膝关节置换术相比，对于仅累及内侧间室的KOA患者，UKA能够保留健康的侧室及固有软组织，具有创伤小、恢复快及生物力学功能更优等优势^[2]。虽然手术技术日益成熟，UKA的长期疗效得到明显改善^[3-5]，但是UKA广泛应用的主要瓶颈仍是较高的术后翻修率^[6]。这主要归因于UKA具有更高的假体植入自由度，存在冠状面、矢状面和水平面多维度微小对线偏差，均可能改变膝关节的力传导，诱发术后疼痛、假体周围骨折及无菌性松动等并发症^[7-9]。

从临床受众来看，KOA患者是以中老年人为主体，因年龄增长常伴有骨量异常的基础病症。调查数据显示，UKA候诊患者的骨量异常（骨质疏松及骨质减少）占比高达80.29%^[10]。尽管骨质疏松并非手术的绝对禁忌证，但仍是术后并发症（假体下沉、松动）的重大诱因^[11-12]。目前文献对UKA股骨假体植入位置的研究，主要集中在冠状面（内外翻及平移）的偏差分析^[13-14]。也有部分研究关注了骨量异常的问题，但多设定假体处于理想的中立位，侧重分析骨密度降低对假体下沉或骨水泥渗透的影响^{[12, 15]}。近期虽有文献开始探究股骨假体冠状面对线与骨质疏松的复合因素^[16]，但目前尚无在骨质疏松的病理环境下，针对股骨假体水平面旋转误差对膝关节力学环境影响的探究。因此，探究股骨假体旋转对线与不同骨质条件的耦合效应，对于优化UKA手术方案具有重要的临床意义。

针对现有研究局限，本研究构建了一套包含完整软组织的活动平台UKA有限元模型，对不同骨密度下的股骨假体水平面偏差进行模拟。通过量化分析膝关节内部的多维力学响应，探明其股骨假体水平面旋转对线与异常骨质之间的耦合机制。最终为临床医生优化假体植入策略及骨质疏松患者的手术风险评估提供新的理论参考。

1. 材料与方法

1.1. 数据采集

本研究招募1名健康男性志愿者（26岁，身高176 cm，体重80 kg，无既往关节病史和创伤史）。在昆明医科大学第二附属医院，通过计算机断层扫描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）采集左膝关节影像数据，确认左膝关节间隙对称且无发育异常，确保旋转对线为单一变量。扫描范围覆盖膝关节中心上下各10 cm。使用的设备为16排螺旋CT（Philips Brilliance 16，荷兰，扫描层厚1 mm）和3.0 T MRI扫描仪（Siemens，德国，扫描层厚为0.6 mm）。本研究通过昆明医科大学第二附属医院伦理委员会批准（审批号：PJ-2025-356），志愿者同意此次研究并签署了知情同意书。

1.2. 有限元模型构建

依托Mimics 21.0（Materialise，比利时）软件处理原始CT与MRI影像，初步提取得出骨骼及软组织的三维模型。随后导入逆向工程软件Geomagic Wrap 2021（Geomagic，美国）进行曲面平滑与修补处理，并构建出厚度2 mm的皮质骨。统一在SolidWorks 2024（Dassault Systemes，法国）中完成膝关节各结构组织的实体装配。将装配体导入ANSYS Workbench 2024（ANSYS，美国）进行网格划分。为确保分析求解的准确性及提高计算效率，对模型进行网格尺寸无关性检验^[17]。确定单元尺寸：皮质骨与松质骨为3.0 mm，软骨、韧带及假体组件为1.0 mm，骨水泥为0.5 mm。本研究的核心是模拟静态站立姿态，参照了既往研究^{[12, 14, 16]}，将各组织均设定为各向同性线弹性材料，参数如表1所示。

表 1. Material parameters of knee joint structures.

膝关节结构材料参数

结构组织	弹性模量/MPa	泊松比		结构组织	弹性模量/MPa	泊松比
正常皮质骨	17 000.0	0.30		钴铬钼合金Co-Cr-Mo	210 000.0	0.29
骨质减少皮质骨	14 195.0	0.30		超高分子量聚乙烯UHMWPE	850.0	0.40
骨质疏松皮质骨	11 390.0	0.30		聚甲基丙烯酸甲酯PMMA	1 940.0	0.40
正常松质骨	350.0	0.25		前交叉韧带	169.0	0.45
骨质减少松质骨	234.5	0.25		后交叉韧带	177.0	0.45
骨质疏松松质骨	119.0	0.25		外侧副韧带	345.0	0.45
半月板	27.5	0.33		内侧副韧带	332.0	0.45
关节软骨	15.0	0.46		髌韧带	169.0	0.45

1.3. 多工况UKA模型建立

不同骨质及旋转角度的UKA模型建立：选用活动平台（mobile-bearing，MB）单髁假体系统，利用REVOPOINT Metro X 3D扫描仪获取假体三维数据。通过参照临床标准并在骨科医生的指导下，于SolidWorks中模拟标准UKA截骨术：胫骨截骨面垂直于胫骨机械轴，设定为冠状面0°、矢状面后倾7°。股骨假体置入位置参照内侧髁中心，金属假体与骨骼之间通过0.8 mm厚度的骨水泥层模拟固定^[15]。骨质分组设置：参考既往文献^{[12, 16]}建立骨密度与弹性模量的映射关系，构建三组不同骨质模型：① 正常骨质组（normal bone，以下简称B1）：采用标准材料参数；② 骨质疏松组（osteoporosis，以下简称B3）：作为骨量重度流失的边界，将皮质骨与松质骨弹性模量分别降至正常组的67%和34%。③ 骨质减少组（osteopenia，以下简称B2）：作为正常与疏松之间的过渡病理状态，采用中值插值法界定，皮质骨与松质骨弹性模量分别设定为正常组的83.5%和67%。旋转工况设置：以股骨假体水平面中立位（0°）为基准，设置–14°～14°的旋转变量（间隔4°，负值代表内旋，正值代表外旋）。目前临床缺乏确切的UKA水平面旋转误差边界数据，本研究参考既往冠状面对线不良的宽泛临床区间^[18]并扩大范围，确定–14°～14°的探索区间。结合三种骨质条件，共构建27种仿真工况，如图1所示。

图 1.

Schematic diagram of femoral component installation in the transverse plane and different installation angles

股骨假体在水平面安装示意图及不同的安装角度

1.4. 接触关系设置

接触关系设置主要针对完整健康膝关节模型和MB UKA模型。① 在完整健康膝关节模型中各软骨及半月板间的接触对均设为无摩擦接触：内外侧间室各有三个接触对，均为股骨软骨与胫骨软骨、股骨软骨与半月板、半月板与胫骨软骨。其他接触均为绑定接触（软骨与骨、韧带与骨、半月板前后角与胫骨、皮质骨与松质骨）。② 对于MB UKA模型，除保留外侧间室原有的三个无摩擦接触外，内侧间室由于部分组织被切除并置入假体，在新增的接触对中，股骨假体与聚乙烯衬垫和胫骨托与聚乙烯衬垫的两个接触对设为摩擦接触，摩擦系数为0.04^[19]，而骨水泥与金属假体和骨骼截骨面之间的接触均为绑定接触，其余的接触关系与健康模型一致。

1.5. 模型验证方法

本模型验证方法采用经典的轴向加载实验与前抽屉实验对有限元模型的有效性进行验证，其边界条件设定均参考既往相关研究^{[13, 20-21]}。① 轴向加载验证中，完全约束胫腓骨远端，仅保留股骨屈曲自由度，对模型施加垂直向下的1 000 N轴向载荷；② 前抽屉实验验证中，完全约束股骨的6个自由度，仅允许胫腓骨沿前后方向平移，以胫骨平台内外侧髁中点为加载点，施加134 N的前向载荷。记录内、外侧间室载荷分配比例及胫骨前向位移量，将两种方法记录的数据与文献数据进行比较验证其有效性。

2. 结果

2.1. 有限元模型验证

在1 000 N垂直轴向加载工况下，内、外侧间室的载荷分配比例分别为55.8%和44.2%；在前抽屉试验工况下（134 N前向载荷），胫骨相对于股骨的前向位移为4.38 mm。上述仿真结果与既往文献^{[12-13, 16]}报道吻合，证实了有限元模型的有效性。

2.2. 外侧室软组织应力变化

2.2.1. 外侧半月板

如图2所示，半月板应力主要集中于前角至中部区域（具体各组半月板的应力分布结果参见附件1）。股骨假体内旋会显著增加半月板的等效冯·米塞斯应力，内旋的角度越大增加的幅度也越大，各组峰值统一位于–14°（B3、B2、B1组分别为4.84、4.59、4.45 MPa），而外旋的影响相对平缓。整体上骨密度越低应力越高，为B1 < B2 < B3，与B1对比，B3的峰值应力平均增加4.21%。

图 2.

Changes in equivalent stress of various soft tissues in the lateral compartment and contact pressure on the inferior surface of the polyethylene liner under different femoral component positions in the three groups

三组模型不同股骨假体位置外侧间室各软组织的等效应力变化和聚乙烯衬垫下表面的接触压力变化

2.2.2. 关节软骨

如图2所示，股骨与胫骨的软骨应力峰值呈现不同的分布规律。股骨软骨应力在中立位附近（2°）达到最低值，向两侧内外旋时升高，B3组最大值出现在外旋14°（0.99 MPa）；而胫骨软骨应力则随内旋角度增加而升高，最大值都出现在内旋–14°，B1组最大为0.87 MPa。值得注意的是，股骨软骨的应力变化在3组中出现反转现象：在–14°至2°区间，应力表现为B1>B2>B3；而在>10°的外旋区间，趋势反转为B1<B2<B3。

2.3. 假体表面应力及压力变化

2.3.1. 金属假体组件

如图3所示，股骨假体的等效应力随旋转角度呈非线性变化，B2-B3组在内旋–14°达到最大值，而B1组在外旋14°时达到峰值29.97 MPa。胫骨托全局应力随内旋到外旋角度递进而增加，各组峰值统一出现在外旋14°工况。整体上，在相同旋转角度下，骨质密度降低，金属假体的应力值更高，为B1<B2<B3。在–14°至14°的完整旋转区间内，相较于B1组，B2组股骨假体峰值应力平均增加了5.41%，B3组胫骨托增加了8.64%。

图 3.

Changes in equivalent stress of the metal components and strain of the tibial cancellous and cortical bone under different femoral component positions in the three groups

三组模型不同股骨假体位置金属假体的等效应力变化与胫骨松质骨和皮质骨的应变变化

2.3.2. 聚乙烯衬垫

如图2、图4所示，衬垫接触压力与胫骨托应力的趋势吻合，随旋转角度从–14°至14°呈递增趋势，峰值统一出现在外旋14°工况。与金属组件相反，衬垫的接触压力随骨密度降低而减小，具体是B1 > B2 > B3。在外旋14°时，B3组衬垫上表面的接触压力17.66 MPa，略低于B1组17.92 MPa，呈现出接触压力随骨密度的降低而减小的趋势（具体聚乙烯衬垫上表面的接触压力趋势变化图参见附件2）。

图 4.

Contour maps of contact pressure on the superior surface of the polyethylene liner in the three groups

三组模型聚乙烯衬垫上表面接触压力云图

2.4. 胫骨托下方截骨表面应变变化

2.4.1. 松质骨应变

胫骨托下方的最小主应变（压缩应变）主要集中于龙骨槽底部（具体各组胫骨松质骨的最小主应变分布结果参见附件3）。如图3所示，最小主应变随旋转角度呈双波峰状分布，峰值位于内旋–10°与外旋10°附近。骨密度的降低放大了松质骨的应变，B3组在内旋–10°和外旋10°工况下的峰值应变分别升至5 823.7 µε和5 883.9 µε，远超过B1组的3 190.9 µε和3 545.3 µε。相较于B1组，B3组松质骨最小主应变平均升高81.61%，且在多个旋转角度下都突破了4 000 µε的生理阈值。

2.4.2. 皮质骨应变

如图3所示，皮质骨的最大主应变（拉伸应变）与最小主应变（压缩应变）峰值都出现在外旋14°工况（具体胫骨皮质骨最小主应变变化趋势图参见附件4）。骨密度降低导致皮质骨应变大幅增加（B1 < B2 < B3），B3组的最大主应变较B1组平均增加了79.69%，数据指向骨质疏松会促使载荷向周围皮质骨发生转移。

3. 讨论

UKA虽具备独特临床优势，但是较高的术后翻修率仍是制约其发展的主要瓶颈。而破坏UKA术后膝关节力学平衡因素中，假体对线不良与患者自身骨质退变均是核心要素^[16]。目前的生物力学研究中，前人多局限于股骨假体冠状面（内/外翻）的位置分析，鲜有探讨水平面旋转误差与病理骨质的耦合影响，而其绝大多数UKA候诊患者伴有不同程度的骨量减少^[10]。本研究构建了不同骨质状态的有限元模型，探索股骨假体在水平面的不同旋转工况下，叠加骨密度衰减后，所产生的生物力学后果。

本研究发现骨密度的降低会显著放大旋转对线不良的生物力学影响。股骨假体外旋时，B1组的衬垫接触压力随旋转角度的偏离而增大，且在大角度的偏差下，进一步加剧了衬垫的磨损和边缘撞击风险^{[14, 22]}。值得注意的是，B3组表现出反常的“应力-压力逆向背离”现象，衬垫的接触压力略有降低，而刚性股骨假体应力却较B1组外旋14°时高出28.7%，胫骨托应力也增至78.55 MPa，这本质是骨床塌陷导致的“软垫效应”。在内旋工况下，衬垫接触压力与胫骨托应力则是随角度的偏离呈现表象下降，而B3组股骨假体应力仍异常维持在39.86 MPa的高位。多组数据表明，这种内侧局部的压力下降并未实际消除底层高应力风险，而是一种“假性卸载”的假象。

数据变化显示，在股骨假体内旋时所呈现的内侧卸载的假象，实则是通过改变载荷分布路径，形成一种风险的空间转移^[14]。研究证实，股骨假体内旋是通过“膝关节联动机制”^[22-23]将载荷转移至外侧间室，相较于中立位（0°），使B1组在–14°时外侧半月板应力显著上升（增加了16.8%），胫骨软骨应力也增加了14.7%，而外旋14°时半月板应力仅略微上升为3.94 MPa。骨质疏松则加剧了这一代偿机制，B3组半月板应力不仅在–14°时较同角度B1组高出约8.8%，相较于其自身中立位的增幅更是高达24.6%。这印证了Liu等^[16]的“基底塌陷与载荷转移”理论：松质骨基底的微塌陷诱发膝关节发生动态内翻，迫使外侧半月板承受更多环向应力载荷以“保护”软骨^[14]。因此，内旋并非力学安全区，而是将内侧磨损风险转化为了内在的外侧间室退变风险。

假体下沉是UKA早期失效的主要原因之一^[24-25]。仿真的数据显示，在理想的中立位0°，B3组的松质骨应变都高达4 181.4 µε，再叠加旋转误差，应变的增长幅度更大，外旋（10 °）时应变峰值更是逼近6 000 µε，远超Frost^[26]稳态理论中界定的4 000 µε微骨折阈值^[27]。这表明骨质疏松患者的骨床面临极高的结构性坍塌与沉降风险。相反，B1组则展现出高强度的骨质结构，即使在应变峰值最高的10°（3 545.3 µε），其应变也位于安全阈值内。值得注意的是，骨密度降低时，松质骨的支撑强度也随之降低^[28]，当松质骨支撑强度不足时，载荷会被迫向周围皮质骨转移，导致B3组皮质骨应变较B1组激增约79.7%。而这种异常高应变作用在皮质骨时，会直接刺激胫骨骨膜丰富的感觉神经末梢^[29]，这也解释了为什么部分患者的假体并未出现松动，但却出现持续不明疼痛的力学机制^[30]。

这些数据表明，对于正常骨质患者（B1），在±6°的角度偏差都相对安全，而骨质疏松患者（B3）在中立位都可能使松质骨应变突破阈值，骨质减少患者（B2）也只有±2°的安全区间，对此在进行手术时应严格追求中立位对线。这使医师在面对骨量异常的患者进行手术时，要有很精确的技术要求，建议使用计算机导航或机器人辅助系统^[5]来减少术中假体安装误差。此外，对于术后不明原因疼痛，除排查外翻过矫外，应高度怀疑旋转不良及骨质疏松引发的皮质骨过载^[31]。

本文仍存在一定的局限性：仅采用单个志愿者的数据，虽确保不同模型之间的可比性，但结果可能缺乏群体普适性；仅模拟了膝关节伸直位静态载荷，未能进行步态周期等动态模拟，因而并未量化分析假体部件之间在大角度偏差下可能存在撞击的风险；另外，本研究对模型的软组织流固耦合等材料属性进行了简化处理，以及骨质疏松模型未模拟骨质结构的改变，可能对接触应力的预测产生一定偏差。

4. 结论

股骨假体水平面旋转误差是破坏UKA术后生物力学平衡的直接力学诱因，而骨质疏松会显著放大该失效风险。当股骨假体外旋时，主要导致聚乙烯衬垫接触压力过载，增加磨损风险；而内旋则通过“膝关节联动机制”导致外侧应力异常增加，诱发外侧间室退变。关键的是，骨质疏松产生的“假性卸载”表象，掩盖了松质骨的微骨折风险，且由于载荷转移，为维持平衡迫使皮质骨承受代偿性过载。这一机制为术后假体未松动，却出现不明原因疼痛的成因提供了力学解释。考虑临床患者普遍伴有骨量异常及术后动态承重需求，正常骨质下±6°的理论安全区间将会显著缩减。因此，UKA患者均应追求0°中立位对线，特别对骨量异常患者建议应用计算机导航或机器人系统来减少安装误差，降低假体下沉、松动及术后疼痛风险。

Funding Statement

云南省自然科学基金-面上项目（No.202401AY070001-233）；云南省重大科技专项计划生物医药专项项目（No.202502AA310034）；云南省科技人才与平台计划项目（院士专家工作站）（No.202205AF150009）