以模型的方式,預測在全膝關節置換術後脛骨植入物厚度的生物力學影響


A model-based methodology to predict the biomechanical consequences of tibial insert thickness after total knee arthroplasty


Periklis Tzanetis, PhD Candidate

Tzanetis, P.; Marra, M.A.; Fluit, R.; Koopman, B.; Verdonschot, N. Biomechanical Consequences of Tibial Insert Thickness after Total Knee Arthroplasty: A Musculoskeletal Simulation Study. Appl. Sci. 2021, 11, 2423. https://doi.org/10.3390/app11052423



一、簡介

全膝關節置換術


根據 LROI (Dutch Arthroplasty Register) 的資料,荷蘭每年約進行 33,000 起全膝關節置換術的手術。

資料來源: www. lroi.nl (16 April 2021)


根據研究顯示,在荷蘭從 2014~2019年,有超過 25% 的患者因為關節處不穩定,而再次接受手術。



二、早期手術失敗的狀況研究


根據研究資料得出結論:

脛骨 PE 植入物的厚度不足,如何選擇植入物的最佳厚度非常重要。


有許多研究在探討如何取得最佳的植入物厚度。



在這些相關研究中,大多會探討脛骨切除深度與植入物厚度的相對影響。



三、肌肉骨骼模型 Musculoskeletal models


肌肉骨骼模型有下列兩個優點:

1. 協助在手術中進行決策

2. 能夠進行肌肉、韌帶力、關節負荷,以及運動學等非侵入式評估

四、研究目標

從韌帶與壓縮力的角度,單獨研究脛骨植入物的厚度對於脛股關節 tibiofemoral (TF) joint 的影響,同時評估植入物的厚度變化對於髕股關節 patellofemoral (PF) joint 生物力學參數的影響程度。


研究方法::調整脛骨植入物的厚度

  • 脛骨植入物基礎厚度 = 9mm

  • 每次調整 2mm (加大 or 減小)

1. 利用模型建立股骨與脛骨植入物的組裝

2. 調整 PE植入物的厚度 (5mm, 7mm, 9mm, 11mm, 13mm 等五種厚度)

3. 利用模擬取得動作數據,以建立資料庫。



五、結果與討論

5-1 脛股關節 tibiofemoral (TF) joint

  • Medial and lateral collateral ligaments (MCL, LCL) strain 0-6%

  • Slack MCL and LCL in flexion; knee instability

  • Posterior cruciate ligament (PCL) strain ~ 10%


韌帶過度拉伸? ~ 14% yield strain (4)

4. Butler et al., J Biomech, 19(6):425-432, 1986.


數值模擬顯示

當植入物厚度為 9mm與11mm時,結果與早期研究 (5) 一致

5. Ellis et al., J Biomed Eng, 6(2):113-120, 1984.


但是當植入物在 >=13mm時,可能會提高關節負荷,造成破壞性磨損。



5-2 髕股關節 Patellofemoral (PF) joint

  • Quadriceps-femur load sharing

  • Distal shift of the patella in the groove; joint line elevation


在研究上遇到的限制

  • 韌帶力學的性能是否正確

  • CR植體的組裝方式是否能夠正確代表實際狀況

  • 對單一患者進行數值模擬,可能會存在解剖變異



六、未來的研究方向

1. 客製化的全膝關節置換術最佳化

2. 利用形態學的膝關節模型找出其對全膝膝關節置換術的影響






致謝

This research has been funded by TKI Top Sector HTSM and Stryker European Operations.


Stryker

Eric Garling, Arman Motesharei, José-Luis Moctezuma, Daniele De Massari