膝骨性关节炎是发生于骨关节的退行型病变,其发病机制包括免疫、劳损、代谢、生物力学等多种因素。根据其病变累及部位,可分为内侧间室型、外侧间室型、髌股型及全关节型,其中以内侧间室型膝骨关节炎最为常见,往往伴有不同程度的膝关节内翻畸形。“不均匀沉降”理论认为胫骨内侧平台的塌陷是由于胫骨平台骨质硬度较低,又承受较大应力,在长期高负荷下会出现塌陷,塌陷导致下肢力线向内侧移动进一步增加内侧平台的负荷,以上过程互为因果,最终加速内侧间室的磨损,形成内侧间室型膝骨性关节炎。此理论是从生物力学角度阐释了膝骨关节炎发生的诱因,而基于此理论的胫骨高位截骨术、腓骨近端截骨术等术式均是以纠正膝关节远端错误的机械力线为目的,最终达到恢复下肢正常的力线。胫骨高位截骨术目前已被广泛的应用于中青年轻至中度的膝骨关节炎,并已获得良好的临床效果。由于胫骨高位截骨术手术简单,费用低、临床效果好,几乎被默认为内侧间室型膝骨关节炎保膝治疗的唯一术式,考虑到膝关节由股骨和胫骨构成,股骨内侧髁与胫骨内侧平台直接接触,胫骨内侧平台的应力同样反作用于股骨内侧髁,即股骨内髁承受比股骨外髁更大的应力,基于微骨折及骨改建等理论,承受较大应力一侧理应发生形态学的改变,但目前尚无相关数据印证及完整理论支持这种观点。随着X线摄片技术的发展,下肢全长X片越来越多的被应用,尤其是在预备行全膝关节置换术的膝骨关节炎下肢的手术规划当中。因为全膝关节置换术目标是恢复下肢力线,术前的手术计划为的是术中能够准确的找到髓内定位杆的入针点和角度,提前选择合适的假体。曾有文献报道应用股骨远端截骨术治疗由股骨造成的膝内翻,但绝大多数股骨远端截骨都用于膝外翻的治疗。股骨机械轴内翻在内侧间室型膝骨关节炎中的存在与否,以及是否存在普遍性还是一个较少被涉及的盲区。从下肢全长X片也同样可以测得股骨的机械力线,本研究通过对大量不同程度膝内翻患者下肢全长X片的测量获得股骨内翻在内侧间室型骨关节炎中的发病率以及分布等流行病学资料,并对股骨机械轴内翻的具体骨形态学变化进行探究。“不均匀沉降”理论已经指出胫骨平台塌陷使力线内移并加重内侧平台的负担,大量相关生物力学实验也对胫骨平台塌陷时膝关节内的应力变化情况进行实验验证。但生物力学实验多采用截断股骨和胫骨的关节标本进行,在这种标本上施加应力与生理状态下的力线起止点及经过膝关节水平的位置相差甚远,不能很好的代表真实的应力状态,而且下肢全长标本即使获得也难于保存,过长的高度难以装配到大部分的生物力学机上,因此对膝关节的生物力学实验处于一种比较尴尬的状态。随着数字化技术的发展,有限元分析生物力学已经广泛地应用于生物科学的领域,与传统生物力学实验相比,有限元具有良好的可操作性,不受实验器材及实验条件等的约束,只要模型建立准确,所术得到的数据具有很高的稳定性,并且只要在运算之前做好设置,就可同时获得多种效应指标的数据。有限元的这些特点能够很好的弥补生物力学实验的缺陷,对于膝关节的生物力学实验,有限元分析是较为理想的方法。本实验以符合条件的下肢全长标本为模版,通过图像采集设备及相关图像处理软件建立下肢全长标准三维立体模型及存在不同程度的股骨内翻的下肢全长三维立体模型,在有限元中对模型进行分析,研究股骨内翻对膝关节生物力学的影响,为保膝治疗理论提供有效数据支撑和理论基础。第一部分股骨机械轴内翻对下肢力线的影响及内侧间室型膝骨关节炎基于骨形态的影像学分型目的:通过对大量不同程度内翻膝关节下肢全长X片的测量,统计股骨机械轴内翻在内侧间室型膝骨关节炎中的分布情况;探讨股骨机械轴内翻对膝内翻的影响;对内侧间室型膝骨关节炎进行基于骨形态的影像学分型,为内侧间室型膝骨关节炎的诊断及治疗提供理论依据和数据支持。方法:收集2017年1月～7月连续就诊的非外伤性膝关节疼痛患者的下肢全长正位X片,按照纳入排除标准进行筛选,测量指标有股骨机械轴远端内侧角(mechanical medial distal femoral angle,m MDFA),胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle,MPTA),关节线交角(j oint line convergence angle,JLCA),KL分级。以股骨内翻、胫骨内翻和JLCA为依据将收集到的下肢分为4型,分别统计股骨内翻、胫骨内翻、JLCA增大在膝内翻下肢的发病率及各类型畸形的构成比,统计4种类型的膝内翻的发病率及在不同程度KL分级中的构成比;统计分析膝内翻的形体学构成因素。结果:股骨内翻在膝内翻中的发病率为男性24.77%、女性24.57%,胫骨内翻则为男性97.21%,女性95.54%,4种分型中,I型(单纯胫骨内翻)占多数,男性为73.07%,女性为72.16%,Ⅲ型(胫骨内翻+股骨内翻)男性为24.15%,女性为23.38%。回归分析结果显示男性m MDFA、MPTA、JLCA共同对HKA造成78.2%的影响(β值分别为-0.491、0.487、-0.463,P<0.01),女性为81.2%(β值分别为-0.464、0.560、-0.450,P<0.01)。结论:股骨内翻是构成膝内翻的重要形态学构成因素,但由于其发病率相对较低,术方案的选择有明确的指导意义。第二部分内侧间室型膝骨关节炎的股骨动态形变规律目的:通过对下肢X片的测量,寻找和辨析可造成股骨机械轴内翻的股骨具体形变;分析各种形变之间的相互关系;分析各种形变与年龄、性别的相互关系,探索股骨动态形变规律,为临床上内侧间室型膝骨关节炎的诊断和治疗提供理论依据和数据支持。诊断相对复杂(需在下肢全长X片上测量),内翻程度相对较小,临床上未被引起足够重视。基于下肢形态学改变的影像学分型系统将股骨内翻、胫骨内翻及关节间隙的变化综合考虑,对保膝治疗手方法:应用之前收集到的下肢全长X片,按照纳入排除标准进行筛选,测量指标有髋-膝-踝角(Hip-knee-ankle angle,HKA),m MDFA,颈干角(Neck-shaft angle,NSA),股骨弯曲度(Femoral bowing angle,FBA),股骨解剖轴远端内侧角(Anatomic medial distal femoral angle,a MDFA)。将测量值按照不同年龄段分成<40岁,40-60岁,>60岁三组,对三组的数据进行比较,将m MDFA作为因变量,与NSA,FBA,a MDFA做回归分析。结果:在女性患者中,年龄与m MDFA,FBA,a MDFA均呈显著相关(r=-0.076,0.253,0.141,P<0.01),FBA与NSA,a MDFA均显著呈相关(r=0.312,0.233,P<0.01),当FBA为控制因素时,对年龄与NSA做偏相关分析,从无相关变成负相关(r=-0.065,P<0.05)。而在男性患者,年龄与所有变量均无显著相关性。女性患者中股骨机械轴内翻(m MDFA减小)的形态学构成是NSA,FBA,a MDFA。将m MDFA作为因变量,与NSA,FBA,a MDFA做回归分析,调整R方为0.722,标准化beta值分别为NSA 0.071,FBA-0.528,a MDFA 0.803。结论:内侧间室骨关节炎的病程中,女性患者股骨存在动态形变。形变包括NSA、FBA、a MDFA的变化,他们变化的叠加最终导致股骨机械轴内翻。而且股骨的形变涉及股骨整体,而非单一局部的变化,股骨弯曲会导致股骨近远两端相应形变。男性股骨的形变现象不明显。第三部分有限元分析股骨内翻对内侧间室型膝骨关节炎膝关节生物力学的影响目的:建立完整膝关节标准有限元模型;建立股骨内翻0°、5°、10°、15°模型和胫骨内翻0°、5°、10°、15°、20°、25°模型,并相互搭配形成24种不同情况的下肢内翻有限元模型;对人体下肢标本做生物力学实验得出骨骼应变值,以验证有限元模型的有效性;分析不同股骨内翻度与胫骨内翻度组合对膝关节应力及接触面积等骨关节炎诱发因素的影响,从而探讨股骨内翻在KOA发生发展中的作用。方法:1具经甲醛防腐处理(未超过1个月)成年男性下肢全长标本,以热塑膜包裹固定后行X片摄片,CT及MRI扫描,文件以DICOM格式保存。将标本固定于BOSE生物力学试验机,于股骨张力侧及压力侧各寻找5个位点,粘贴应变片,用数字应变仪记录100～500N垂直载荷下10个点的应变值。应用Mimics、Geomagic Studio、Unigraphics NX、Abaqus软件建立完整下肢三维有限元模型,及不同股骨内翻度于不同胫骨内翻度组合的24个三维有限元模型。分析在500N垂直载荷下,股骨内翻对关节软骨最大von Mises应力、关节接触面积、关节“异常应力”面积的影响。结果:用线性回归方程对10个测试点的50对应变值进行分析,回归方程y=1.025x+0.025,R~2=0.969,说明模型有效性很好。在同一胫骨内翻度的基础上,股骨内翻越大,关节内最大Mises应力越大,关节接触面积越小,“异常应力”面积成上升趋势。将股骨内翻度和胫骨内翻度分别与关节最大Mises应力、关节接触面积、“异常应力”面积做回归分析,所得Beta值分别为0.789和0.556、-0.776和-0.406、0.388和0.713(P<0.05)。结论:建立的下肢全长膝关节有限元模型能很好的模拟正常下肢膝关节生物力学特性。股骨内翻可在原有胫骨内翻度的基础上,进一步加大膝关节最大von Mises应力、减小关节接触面积、增大“异常应力”面积,并且其影响与胫骨内翻同样重要。第四部分有限元分析股骨内翻对胫骨高位截骨术后膝关节生物力学的影响及保膝治疗手术方案的选择目的:建立股骨胫骨混合内翻的下肢行股骨胫骨双截骨术后、胫骨高位截骨术后矫形不足、胫骨高位截骨术后矫形过度三种下肢全长有限元模型;分析比较三种截骨手术后膝关节应力、关节接触面积等骨关节炎相关指标的差异,探讨股骨内翻对胫骨高位截骨术治疗效果的影响。方法:应用之前建立的下肢全长膝关节有限元模型,建立股骨胫骨双截骨术后、胫骨高位截骨术后矫形不足、胫骨高位截骨术后矫形过度三种下肢全长有限元模型,分析在500N垂直载荷下,股骨内翻对关节软骨最大von Mises应力、关节接触面积、关节“异常应力”面积、侧副韧带上的最大von Mises应力、钢板最大von Mises应力的影响。结果:股骨内翻的加剧可增加矫形不足组和矫形过度组的关节最大von Mises应力、增加“异常应力”面积、增加侧副韧带上的应力、减少关节接触面积、增加矫形不足组的钢板上最大von Mises应力。结论:股骨内翻的存在导致胫骨高位截骨术后会出现矫形不足和矫形过度两种情况,对关节生物力学指标的影响均会随股骨内翻程度的增加而增加,股骨内翻可加快胫骨高位截骨术后关节的磨损、增大可能发生磨损的面积,导致关节的松弛,故对于存在股骨胫骨混合内翻的内侧间室型膝骨关节炎患者,应行股骨截骨+胫骨高位截骨才能获得最佳的术后治疗效果减少手术失败的可能。