胫骨关节面切除角度对胫骨假体稳定性的影响
作者：白波 董伟强 J.Baez N.Testa F.Kummer
单位：白波(广州医学院第一附属医院骨科，广州 510120)；董伟强(广州医学院第一附属医院骨科，广州 510120)；J.Baez(纽约大学关节疾病专科医院骨科)；N.Testa(纽约大学关节疾病专科医院骨科)；F.Kummer(纽约大学关节疾病专科医院骨科)
关键词：全膝关节置换；胫骨假体；生物力学
广州医学院学报000304
摘要 目的：探讨胫骨关节面不同切除角度对胫骨假体稳定性的影响。方法：15根Sawbones胫骨被分成5组。胫骨关节面分别被切除为后倾0°、3°、6°、9°和前倾-5°，胫骨金属假体用骨水泥固定，然后先后插入标准和高倾聚乙烯假体，在屈膝0°和30°下进行载荷。结果：每增加关节面后倾切除角度，标准聚乙烯假体的向前移动随之显著增加。在高倾的聚乙烯假体中，这种移动增加更为明显。而关节面前倾切除(-5°)则导致胫骨假体显著向后移动。在胫骨载荷方面，增加关节面后倾切除角度显著减少胫骨前面的压应力，而胫骨后面的压应力则显著增加。高倾假体也能显著增加后面压应力。结论：实验的结果表明0°或30°胫骨关节面后倾切除角度提供胫骨假体最大的稳定性。
中图分类号R687.4 文献标识码：A 文章编号：1008-1836(2000)03-0010-04
Effect of Articular Cut Angle of Tibia on
Tibial Component Stability
Bai Bo, Dong Weiqiang
(Department of Orthopaedic Surgery,1The First Affiliated Hospital of Guangzhou
Medical College,Guangzhou 510120)
Jorge Baez.N, Noel Testa,Frederick J. Kummer
(Department of Orthopaedic Surgery,Hospital for Joint Diseases,New York University)
Objective:To evaluate the effects of different tibial cut angles on tibial componen t stability and proximal tibial loading,and to compare a standard polyethylene i nsert to one with high congruency. Methods:Fifteen Sawbones Tibias were divided into five groups and five different tibial surface with different angles (1°,3 °,6°,9°,and -5°) were cut and a tibial component was implaned with cement. A standard polyethylene was i nserted followed by a highly congruent polyethylene one,then the knee was loaded at 0° and 30° of flexion . Results:The foreward micromotion of the standard polyethylene component increa sed significantly with the increases of posterior slope cut angle. This was mor e significant in the highly congruent polyethylene component. The anterior slop e cut (-5°) led to significant posterior micromotion of the tibial polythylene component. The increase of posterior slope cut angle significantly decre ased the tibial anterior compressive strains,and significantly increased the tib ial posterior compressive strains. The highly congruent insert could also significantly increase this posterior strain. Conclusion:The results indicate that cutting the articula r surface of the tibia at a 0° or 3° posterior slpoe provides the greatest tib ial component stability.
Key words Total knee arthroplasty;Tibial posterior slope;Tibial anterior slope;Tibial component;Biomechanics.
胫骨的正常载荷可以影响聚乙烯假体的磨损，导致假体松动。这是全膝关节置换术后失败的常见原因[3，6，9]，许多的临床研究表明胫骨关节面切除角度与胫骨假体的寿命有关。[2～5，9，13]Hoffmam等[9]的研究表明，胫骨切除的角度与关节面平行相对于与胫骨长轴垂直可减少前面的下沉和胫骨假体失败。其他的作者也认为关节面后倾2°～10°切除可以改善临床效果[3，9，13]；但另一些作者则相信胫骨假体理想位置是垂直于胫骨的长轴。然而，并没有生物力学的资料显示不同的前倾或后倾的切除角度对胫骨假体的影响。
本研究的目的是探讨胫骨关节面不同的切除角度对胫骨假体的稳定性和胫骨近端载荷的影响。同时将标准的和高倾的聚乙烯假体进行比较。
1 材料和方法
1.1 标本和标本的准备
在这个研究中，选用了15根复合Sawbone胫骨(Cat,#3101 Pacific Research Labs,Washton，WA)，这是由于这种材料的物理性质和弹性模量与胫骨皮质相似。这些胫骨标本被分成5组，关节面分别被切除为后倾0°、3°、6°、9°和前倾-5°(参考胫骨关节面解剖，确定切除角度0°即为平行原来的关节面)。每组包含3根胫骨。每根胫骨均经胫骨髓外切骨导向器定位，以保证切除的角度准确。在胫骨切除以后，每个标本均照X线侧位片，以测量切除的角度，其误差为+/-1°。所用的胫骨假体的金属平台相同，而聚乙烯假体分别是标准型和高倾10mm型。用骨水泥固定胫骨假体；胫骨远端距膝关节线下150mm处离断，然后坚强固定在一个固定装置，维持胫骨在垂直方向。膝关节相应的股骨假体用低熔点铋合金固定在一个可调节固定夹上。
1.2 胫骨假体运动和胫骨应变的测量
通过连接于胫骨聚乙烯假体和胫骨平台前面的两个线性可变特异传感器(LVDT)测量胫骨聚乙烯假体的前、后移动。而胫骨的应变值则由粘贴在胫骨前后中线，距关节面5mm的两个线性应变计测定。
1.3 力学试验
每个带有LVDT和应变计的胫骨标本被安放在Instron试验机上的可调的试验固定装置。而股骨假体被连接于Instron的载荷泵，其位置调至与膝关节横截面平行，以便纵轴的载荷可以通过股骨、膝关节和胫骨的中点。每个胫骨标本在屈膝0°时载荷1500N(约为人体体重的两倍)，和屈膝30°时载荷750N。每次的载荷过程重复3次，取其LVDT和应变计读数的平均值。
1.4 统计学分析
双向ANOVA被用于检验切除角度与胫骨聚乙烯假体前后移动和胫骨前后的应变的显著差异性。配对T_试验被用于比较标准的与高倾的聚乙烯垫片在胫骨假体的前、后移动和胫骨前后应变的显著差异性。
2 结果
2.1 胫骨聚乙烯假体移动 在屈膝0°和30°时，每增加关节面的后倾切除角度，显著增加胫骨标准聚乙烯假体向前移动(P<0.05)，但在切除0°与30°之间除外。关节面前倾切除则表现为胫骨聚乙烯假体显著向后移动。这些移动在应用高倾聚乙烯假体时增加(图1，2)。
图1 屈膝0°胫骨假体移位
图2 屈膝30°胫骨假体移位
2.2 胫骨应变 表1显示胫骨前后的应变。关节面前倾切除导致前面出现张应变；高倾聚乙烯假体显著减少这些前面的张应变。增加后倾切除角度显著减少胫骨前面压应变(P<0.05)和显著增加胫骨后面的压应变(P<0.05)。高倾的聚乙烯假体相对于标准的来说能增加屈膝0°时的胫骨后面压应变(图3)。
表1 应用标准和高倾假体对胫骨前后面应变的影响(
±s) 膝关节屈曲和胫骨关节面切除角度
胫 骨 前 面
胫 骨 前 面
标 准 假 体 高 倾 假 体
标 准 假 体 高 倾 假 体
屈 膝 0°
胫骨关节面切除角度
-5°
230(40)
200(34)
-23(10)
-37(12)
0°
-108(32)
-132(36)
2(0)
-11(30)
3°
-82(26)
-87(15)
-112(76)
-184(38)
6°
-45(24)
-50(12)
-305(104)
-355(95)
9°
-66(26)
-77(16)
-432(134)
-586(166)
屈 膝 30°
胫骨关节面切除角度
-5°
140(18)
106(46)
-40(2)
-28(15)
0°
-188(50)
-187(40)
-21(18)
-44(16)
3°
-145(20)
-132(21)
-65(24)
-58(11)
6°
-160(24)
-143(31)
-53(22)
-74(25)
9°
-168(17)
-144(25)
-153(44)
-125(55)
“+”—伸张，“-”—压缩
图3 应用标准和高倾假体在屈膝0°下胫骨后面应变变化
3 讨论
在人工全膝关节置换术后。胫骨假体前面下沉受胫骨骨质量的影响，是常需进行翻修的临床并发症。Bloebaum等[2]表明胫骨前面和前外区域的骨量比后内和内侧的明显减少。Johnson等[13]描绘胫骨近端松质骨的压缩强度，他们发现在靠近近端胫骨前缘的骨松质，有一明显的受力点。其他的研究也表明胫骨髁中央软骨下骨质最强，是直接载重区域；而前面骨质则相对较弱[8，12～13，16]。这些发现解释了在人工全膝关节置换术后，胫骨假体下沉为什么常常出现在胫骨前面。
在人工全膝关节置换中，要减少胫骨假体下沉的发生率，就需尽可能多保留胫骨前面的骨质。如果胫骨前面的骨质切除过多，所保留的前面骨质的强度和刚度则明显减低[9～12]。由Bartel等的临床观察提示，当最强和最硬的骨皮质被切除时，所保留的较弱和低硬度的松质骨常不能承受膝关节活动的正常生理载荷[1]。预防胫骨假体前面下沉的另一个方法是通过改变股胫的接触点减少胫骨前面的应力。
由于人类的膝关节的胫骨关节面具有5°～8°的解剖后倾角，胫骨假体的后倾被认为可保留较多前面骨质，并后将股胫接触点移至胫骨平台的后部以增加后面的应变[8，10]。既然胫骨关节面的解剖后倾是胫骨近端骨骼在生长发育过程中，对体重载荷的直接生长反应，这意味着假体处于解剖、无剪力的位置上，对胫骨正常载荷十分有利[17]。后倾的另一个优点是增加活动范围[4，18]。Hoffman等[10]进行了比较平行关节面和垂直胫骨纵轴的关节面切除后，胫骨软骨下骨质的试验。他们的结果表明平行关节面的胫骨软骨下骨质切除比垂直胫骨纵轴的在压缩强度上增强40%，而在刚度上增强70%。本研究显示后倾切除角度影响胫骨前后的应变。然而，继续增加后倾切除角度并不能持续减少前面的应变，而显著增加胫骨聚乙烯假体向前移位和胫骨后面的应变。一个由Migaud等[15]进行的临床研究表明增加关节面后倾角度增加胫前的载荷，导致胫骨聚乙烯假体的寿命缩短。Laskin等[14]也论述了关节面后倾角度太大可以引起胫股关节后半脱位。
高倾的聚乙烯假体可用于增加关节前后的稳定性。然而，本研究的结果显示这种假体导致胫骨假体移动和胫骨后面压应变的增加。因此，如果采用高倾聚乙烯假体。关节面应切除成后倾0°以避免后面载重过度。
关节面前倾切除不仅切除了前面较多的骨质，而且缩小了后部的屈曲间隙，产生胫骨后部的楔形改变。由于膝关节的屈曲，胫骨假体后部形成峰状，继发异常张应力，从而导致假体前面的松动[4，14]，另外，关节面前倾切除也减少屈曲动的范围[4，18]。本研究的结果与上述结果相似，显示关节面前倾切除可以导致胫骨聚乙烯假体后移动和胫骨前面的张应变增加。
本研究试图回答有关胫骨后倾切除角度的问题，但实验的方法有其局限性。实验的标本为Sawbone胫骨。他们的结构、力学特性和最强强度与人体骨骼有所不同，所以不能完全反应临床的真实情况。由于缺乏肌肉的收缩力和韧带以及关节囊的稳定作用，所测量得到的假体移动和胫骨的应变并不能真实反应假体移植在活体时所发生的情况。本实验并不考虑胫骨假体内翻或外翻的影响；也不考虑骨和假体界面的旋转应力。
4 结论
本研究表明在人工全膝关节置换过程中，0°和3°的胫骨关节面后倾切除角度能增加胫骨假体的稳定性，减少胫骨前面的压应变，同时也避免胫骨后面的过度载重。高倾聚乙烯假体的应用时能增加前后的稳定性。而前倾切除则应尽量避免。
作者简介：白 波(1960.4-)，男，博士，副教授。研究方向：生物力学与人工关节
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(收稿：2000-05-23)