单髁置换术的临床现状和生物力学研究进展

The Clinical Status and Biomechanical Research Progress of Unicompartmental Knee Arthroplasty

摘要: 单髁置换术(UKA)、全膝关节置换术(TKA)和胫骨高位截骨(HTO)三种技术在治疗膝关节单间室骨性关节炎方面均有不俗表现。相比较于TKA，UKA有着手术创伤更小、保留原有膝关节运动形态、术后恢复速度更快、对年轻患者友好、经济高效等优势。HTO更适合下肢畸形患者，对于无畸形患者，UKA可以更好降低术后翻修和并发症风险。利用有限元技术对UKA的手术方案、假体评估、术后并发症等方面进行生物力学探究，为临床实践提供参考。

Abstract: Unicompartmental knee arthroplasty (UKA), total knee arthroplasty (TKA) and high tibial osteotomy (HTO) are all effective in the treatment of single-compartment osteoarthritis of the knee. Compared with TKA, UKA has the advantages of less surgical trauma, retaining the original knee joint motion pattern, faster postoperative recovery, friendly to young patients, and economical and efficient. HTO is more suitable for patients with lower limb malformations, and UKA can better reduce the risk of postoperative revision and complications for patients without malformations. The biomechanical study of UKA’s surgical plan, prosthesis evaluation and postoperative complications was carried out by using finite element technique to provide reference for clinical practice.

1. 前言

膝关节骨性关节炎(osteoarthritis, OA)是危害中老年人健康、引发膝关节疼痛和功能障碍的最常见疾病[1]，而终末期膝关节OA也是人工关节置换术的主要适应证。全膝关节置换术(total knee arthroplasty, TKA)能有效改善终末期膝关节OA患者的关节疼痛和功能，近期和远期疗效确切，因此备受临床推崇，数十年来一直是治疗膝关节OA的主流技术[2]。然而，越来越多的证据表明，膝关节OA并不总是累及膝关节多个间室，反而大多数病例首先经历以前内侧软骨磨损为特征的骨性关节炎阶段，而患者的疼痛症状也主要来自内侧间室[3]。因此，针对膝关节前内侧OA阶段治疗的单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)和胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy, HTO)应运而生[4]，并且UKA技术发展尤为迅速。据2007~2011年美国某数据库显示：相较HTO (−3.9%)，UKA的年应用增长率明显更高(+4.7%) [5]。

近年来，作为逐渐兴起与完善的治疗技术，UKA因其显著的临床优势，被认为是解决膝关节疼痛及恢复良好功能的有效方法。薛华明等人根据4000多例UKA手术经验及最新研究进展，在严格遵循UKA开展4个基本要素(退变程度重、可复性畸形、韧带功能和对侧间室软骨完好)的前提下，肥胖(BMI ≥ 30 kg/m²)、年轻(<60岁)或老年(≥75岁)患者、无沟槽样变的髌股OA或外侧髌骨半脱位、严重内翻和屈曲挛缩畸形(<20˚)、无膝关节失稳的前交叉韧带功能缺失、HTO手术失败及单间室创伤后骨关节炎并不是UKA的绝对禁忌症[6]。然而，目前UKA治疗膝关节骨性关节炎的手术适应证以及其与TKA、HTO孰优孰劣仍没有定论。为此，本文将对UKA与TKA、HTO的疗效进行对比分析，并对UKA的生物力学研究进展进行综述，以期为该领域的临床实践提供参考。

2. UKA与TKA的疗效分析

UKA作为常用的保膝治疗术之一，出现于20世纪70年代，随着关节外科的不断发展以及假体技术的不断改进，近几年UKA发展迅猛。对于膝关节单间室OA患者的手术治疗，UKA和TKA在术后早期内都获得了较好的术后功能恢复。TKA需要牺牲同膝对侧正常关节间隙，且创伤较大。而UKA相比TKA，手术暴露的侵入性更小，保留交叉韧带，保留正常外侧间室骨储备、术后恢复速度更快，更有利于患者康复[7] [8]。对于老年性膝关节单间室OA患者，该手术已成为最佳治疗方法之一。

Knifsund等人评估UKA与TKA在膝关节单间室OA患者中的临床效果，他们招募了143名有症状的膝关节单间室OA患者接受UKA或者TKA，结果UKA与TKA的主要结局相当。但与TKA相比，UKA术后的恢复更快[9]。此外，Bagherifard等人通过回顾性研究，调查17名接受UKA并可用于最终评估的膝关节单间室OA患者，中期结果显示所有患者都对结果非常满意或满意，随访期间无术后并发症或再次手术记录。因此，作者认为单间室膝关节置换术提供了令人满意的结果和高生存率[10]。由于该手术保留了膝关节的生物学特征，因此患者术后的膝关节活动度接近正常。Crawford，DA等人认为UKA是前内侧OA的治疗选择，与TKA相比，UKA可改善膝关节的活动范围，恢复功能并减少医疗并发症[11]。

于年轻患者，UKA可显著改善年轻膝内侧单间室OA患者的临床症状和膝关节功能，保留膝关节的非退行性关节，具有良好的患者满意度，早期疗效满意[12]。Greco，Nicholas J等人专门调查了50岁以下患者的UKA结果，对2003~2014年在单一数据库中进行UKA的患者进行回顾性分析，研究活动平台UKA在年轻患者群体中的临床结果和存活率。该研究纳入340个膝关节，其中20名患者需要再次手术，预计6年假体生存率为96%，10年假体生存率为86%，7例患者术后平均5.6年出现无菌性松动，4例患者因OA进展需要转为TKA，平均6.6年。Greco，Nicholas J等人认为：对于50岁以下的膝关节单间室OA患者，应考虑采用内侧活动平台UKA作为治疗选择[13]。

UKA具有更短的住院时间和更快的恢复速度，这意味着患者能够更快地回到工作岗位或者日常生活中，减少因长期治疗而导致的经济负担[14]。Soohoo，Nelson等人比较UKA术作为仅限于内侧或外侧间室的OA患者与TKA的成本效益，他们认为当UKA的耐久性和功能与初次TKA相似时，通过适当的患者选择，支持UKA作为治疗单间室OA的一种经济高效的替代方案[14]。

3. UKA与HTO的疗效分析

膝关节单间室OA可导致下肢力线的异常，加重已退变关节软骨处的压力，导致骨性关节炎加重，HTO通过截骨术矫正下肢力线，使内侧间室受力重新分布到膝关节的健康部位，以减缓膝关节的退行性改变，降低膝关节内侧间室的负重，从而改善OA的症状，延缓OA的进展，推迟、甚至避免膝关节置换[15] [16]。

随着UKA和TKA技术的日益成熟，HTO的价值开始受到质疑。但是对于某些特定的患者，该术式疗效依然优良[15]。在下肢畸形患者中，HTO有很好的预后。结果与年龄、身体质量指数(BMI)或骨性关节炎的等级无关。膝关节活动和韧带稳定性是支持HTO的次要标准。Lobenhoffer和Agneskirschner对533名患者进行了一项多中心研究，认为：HTO与UKA的主要标准是股骨或胫骨的下肢畸形。没有下肢畸形的内侧膝关节单间室OA患者应采用UKA治疗[17]。HTO和UKA在选定的内侧膝关节单间室OA病例中具有相同的适应证。这些适应证包括以下患者：1) 55至65岁；2) 适度活跃；3) 非肥胖；4) 轻度内翻畸形；5) 无关节失稳；6) 良好的活动范围；7) 中度单室关节病。Dettoni等人认为：在正确的适应证下，这两种治疗方法都能产生持久的、可预测的治疗结果。没有证据表明一种治疗方法优于另一种治疗方法[18]。

卫鹏斌等人将94例膝关节单侧OA患者分为AB两组，A组行UKA，B组行HTO，术后均随访1年并比较两组临床相关指标。卫鹏斌认为HTO及UKA治疗膝关节单侧OA的效果均显著，UKA在缩短手术时间、促进术后康复方面效果更佳，而HTO在改善膝关节活动度方面具有优势；但对于术后疼痛评分和术后并发症发生率方面，两种手术治疗无明显差异[19]。

Stukenborg-Colsman等人在一项前瞻性随机研究中，比较了采用HTO或UKA治疗内侧膝关节单间室OA患者的临床结果。总共有32例患者接受了HTO，28例患者接受了UKA，患者在术后平均2.5年(1.6~5年)、4.5年(3.6~7年)和7.5年(6.6~10年)接受评估。使用膝关节社会评分，71%的HTO患者和65%的UKA患者术后7~10年的膝关节评分为优秀或良好。术后7~10年Kaplan-Meier生存分析显示，UKA的生存率为77%，HTO的生存率为60%。HTO术后观察到更多的内、术后并发症。Stukenborg-Colsman等人认为，随着单室假体的先进设计，UKA提供了更好的长期成功[20]。

Zhan等人从国内外文献中检索UKA和HTO的比较研究并进行meta分析。meta分析结果显示：UKA的优良率比例高于HTO，合并OR为2.43，95% CI (1.46, 4.05) (P = 0.0006)，UKA组的翻修和并发症风险低于HTO组，合并OR分别为0.47和0.24，95% CI分别为(0.23, 0.97)、(0.10, 0.56)。Zhan等人认为UKA降低了术后翻修和并发症的风险，并提供了良好的结果[21]。

4. UKA的生物力学研究

随着计算机技术的发展，我们探求一种可以客观可靠地分析结果，不受所研究生物体的结构限制，减少动物实验及人体试验的花费的实验方法：有限元分析。有限元仿真模拟已经逐渐代替传统的生物力学分析模式，广泛地应用在骨科和生物力学领域。研究者利用有限元分析，以深入了解UKA膝关节内部结构的应力分布和大小[22]，从而优化手术设计和提高治疗效果。

4.1. 优化手术方案

研究者通过有限元模型，可以模拟UKA手术的全过程，包括截骨、假体植入、关节间隙调整等步骤。这有助于医生更好地理解手术过程中的力学变化，预测手术效果，并优化手术方案。

胫骨假体后倾角是胫骨假体排列重要参数之一，与膝关节稳定性、垫片磨损和其他间室OA进展密切相关[23]。Yong Nie等人利用有限元技术在冠状面共采用5种不同的UKA胫骨后倾角构型(中性、3˚内翻、6˚内翻、3˚外翻和6˚外翻)，研究胫骨平台和胫骨近端von Mises应力，并比较5种不同构型下胫骨内侧和外侧腔室的载荷分布，认为冠状面中性内翻或3˚内翻是UKA的最佳对准方式[24]。Kyoung-Tak Kang等人建立有限元模型，然后将胫骨后倾角度(PTS)从−1˚发展到15˚，并以2˚的PTS模型为增量。通过验证的有限元模型，研究了PTS变化对内侧垫片和外侧软骨接触应力的影响，证明从初始解剖胫骨倾斜±2˚的偏移不会影响生物力学结果[25]。

Ma，P等人认为：内侧UKA固定平台UKA股骨假体应尽量避免冠状面平移或内翻/外翻倾斜。股骨假体的明显错位会显著影响膝关节内部结构，特别是垫片和软骨表面的应力。股骨假体冠状面倾斜大于6˚可显著增加垫片应力，内翻大于6˚可显著增加软骨面应力。股骨假体位置，建议放置在股骨髁远端中心位置[26]。Kang KT使用有限元分析评估UKA股骨假体位置在垫片和关节软骨中的接触应力，得出同样结论：UKA中股骨假体的最佳位置是股骨远端髁的中心。股骨假体位置是影响垫片和关节软骨接触应力的敏感因素之一[27]。Yang，Yuzhu等人建立正常人体膝关节有限元模型，将活动平台UKA股骨假体从0˚矢状面至15˚屈曲位以3˚间隔置入，观察各部件的生物力学变化。根据截骨量和站立位各部件的峰值应力，认为股骨假体更合适的矢状面安装位置为9˚~12˚ [28]。Zhang，Z.H.等人研究发现：在UKA中，活动平台假体的股骨和胫骨假体具有较好的整合度，可以减少假体的磨损，而固定平台假体在UKA中应避免因过度整合而引起的局部应力集中，防止假体加速磨损。建议在4˚内翻至4˚外翻的冠状位植入活动负重假体，在0˚中立位植入固定负重假体[29]。

有限元分析方法得到较为精确的仿真结果，弥补了传统力学方法在膝关节研究中的不足。通过优化手术设计，以期达到更好的治疗效果。

4.2. 评估假体设计与磨损

随着先进的计算机系统的出现，越来越多的骨科植入物通过有限元分析来评估其失效模式和临床局限性，以提高临床安全性。有限元分析可以评估不同假体设计的力学性能和生物相容性。通过模拟不同材料和形状的假体在膝关节中的行为，可以选择最适合患者的假体设计，提高手术的成功率和患者的满意度。Shantanu Patil等人将18例尸体下肢随机分为两组：A组植入患者特异性植入物；B组为对侧膝关节，分别模拟膝关节运动。与B组相比，A组在主动股骨回滚、主动胫股内收和被动内翻松弛方面与正常运动学的差异较小。Shantanu Patil等人认为：与标准膝关节设计相比，采用患者特异性植入物的膝关节产生的运动学更接近于正常膝关节的运动学，术后恢复正常运动学可改善功能和患者满意度[30]。Kang等人通过有限元技术验证了同样的结论，比较患者特异性植入假体和标准现成假体在UKA中的生物力学效果，评估垫片、关节软骨和外侧半月板在患者特异性假体和标准的UKA假体中的接触应力。采用步态周期负荷来评估特异性和标准UKA的生物力学效果。与标准假体相比，患者特异性植入假体术后关节软骨和外侧腔室半月板上的接触应力值更接近健康膝关节[31]。该特殊假体尤其适用于年轻和活动量大的患者，并且在理论上可以完美覆盖截骨面，从而避免骨面过度覆盖或覆盖不足，这也是该假体的最大优点。

有限元分析还可以预测UKA术后的长期效果。通过模拟不同时间点和活动条件下的膝关节行为，可以评估假体的耐久性、关节面的磨损情况以及患者的运动功能恢复情况等。这有助于医生为患者制定个性化的康复计划，提高治疗效果。Koh YG等人认为活动平台股骨和胫骨假体形合性较好，能够减少假体磨损；而固定平台假体UKA应避免过度形合引起局部应力集中导致的加速假体磨损[32]。随着UKA假体类型不断更新换代，假体生存率也明显提高，通过有限元技术对假体磨损进行临床验证成为一种有效手段。

4.3. 预测术后并发症

与TKA比较，UKA的翻修率更高，假体生存率更低[33]。当UKA失败确实发生时，需要复杂的翻修和限制患者活动。有限元分析可以分析UKA术后膝关节内部结构的应力分布，这有助于了解哪些区域可能承受过高的应力，从而预测潜在的并发症。假如能提高传统UKA的假体生存率和降低其翻修率，UKA将会发挥独特的优势。

UKA术后假体周围骨折虽然罕见，但也是可能的并发症之一。先前的一项研究报道，超过6˚内翻或任何胫骨部件外翻的冠状排列会大大增加内侧腔室骨折的风险[34]。Hou根据计算机断层扫描图像分割并重建下肢模型，通过有限元分析模拟了为放置胫骨切割导向器而创建的两个销孔的四种组合，探讨不同两针孔分布的单UKA术后胫骨的生物力学特征，结果发现胫骨平台近端内侧缘处的定位孔应力值最高，定位孔靠近胫骨平台内侧缘的位置出现应力集中[35]。Elvis等人通过有限元分析不同钉孔位置的相关应力，得出和Hou相同的结论：胫骨切割导向固定钉放置在中心位置，可降低胫骨平台内侧假体周围骨折的风险[36]。

胫骨植入物对线是UKA并发症的一个重要原因。Sasatani K使用三维有限元分析来研究UKA后胫骨近端应力分布在多个胫骨植入物排列中的变化，以期研究胫骨植入物的最佳排列。在没有松动的情况下，内翻对线模型中软骨下骨外侧缘的应力分布较高，并且高应力分布从前向后移动，向后倾斜0˚至10˚。随着松动，外翻对齐模型中近端胫骨内侧皮质的应力分布较高。Sasatani K认为：为了减少UKA并发症，目前的研究结果表明，胫骨植入物的最佳排列是在冠状面的中间位置，后倾角与矢状面的原始倾角相似[37]。Sano为确定UKA后影响胫骨近端应力分布的因素，采用胫骨近端有限元分析来评估膝关节应力，认为UKA必须实现正确的术后对线。截骨平面应设置在靠近关节线的松质骨处，并应最大限度地保存骨量[38]。

Zhang G用有限元技术计算OA患者关节骨软骨组织节点的应变，建立了可以预测UKA翻修风险的综合模型，该模型结合了生物力学和统计学习方法，创建了一个可以支持未来临床决策的手术计划工具，具有理论上的高准确度，体现了其作为膝关节OA手术复位决策辅助的高价值[39]。与传统的力学研究方法相比，有限元分析方法能够得到较为精确的仿真结果，弥补了传统力学方法在膝关节研究中的不足。通过优化手术设计和假体选择，可以降低这些并发症的风险。

5. 小结

UKA在膝关节单间室OA患者的临床研究中显示出了非凡的成功率。由于前交叉韧带、健侧间室和髌股间室的完整性在UKA中得以保留，使UKA术后膝关节的运动学与天然膝关节相似[40]。但UKA的适应证和禁忌症仍存在争议，与TKA和HTO的疗效对比需要进一步研究，并且植入物的功能结局和寿命可能受到多种因素的影响。有限元技术有利于深入研究UKA患者膝关节内部结构的应力分布和大小，从而优化手术设计和提高治疗效果，但其结果可能受到模型精度、边界条件设置、材料属性等多种因素的影响。因此，在进行有限元分析时，需要综合考虑，确保分析结果的准确性和可靠性。同时，有限元分析的结果也需要结合临床实际进行验证和修正，以更好地指导临床实践。

利益冲突声明

本文所有作者均声明不存在利益冲突。

NOTES

^*通讯作者。