通过数字体积相关方法测量非关节炎和关节炎肩胛盂骨骼在植入物放置前后的全场应变分布

《Extreme Mechanics Letters》：Full-field strain distribution in non-arthritic and arthritic glenoid bones before and after implant placement measured by digital volume correlation method

本研究通过原位力学测试与微CT结合数字体积相关分析（DVC），比较非关节炎和关节炎（A1、A2、B2亚型）患者股骨头在前后偏心载荷下的应变分布及植入假体后的变化。结果表明，关节炎患者股骨头在植入后应变范围仍显著高于非关节炎组，尤其是B2亚型因骨侵蚀导致应力集中，可能增加假体松动风险。建议根据骨病理特征优化假体设计和手术方案。

　　肩关节置换手术（Total Shoulder Arthroplasty, TSA）是治疗肩关节骨性关节炎（Glenohumeral Osteoarthritis）的一种常见外科干预手段。然而，手术后肩关节假体松动（implant loosening）仍然是导致手术失败的主要原因之一，尤其在骨质和结构发生退行性改变的患者中更为显著。为了深入理解这一问题，一项研究结合了**原位机械测试**和**微CT扫描**，并利用**数字体积相关性（Digital Volume Correlation, DVC）**技术，对非关节炎和关节炎患者的肩胛骨（glenoid bone）在植入假体前后的三维变形和应变分布进行了详细分析。该研究的目的是评估不同关节炎亚型对骨质结构和应变分布的影响，从而为优化术前规划和假体设计提供依据，以提高手术效果并降低术后假体松动的风险。

### 肩关节假体松动的临床背景

肩关节置换手术在近年来得到了广泛应用，尤其是在处理严重的肩关节退行性病变时。据估计，美国每年约有823,361名患者接受该手术，而手术的年均成本高达2.05亿美元。这一数字预计将在未来几年内显著上升，达到67.2%至235.2%的增长幅度。尽管TSA在缓解疼痛和恢复关节功能方面具有显著优势，但其长期效果仍受到多种因素的影响，其中最常见的是**肩胛骨假体松动**。这种松动不仅影响患者的生活质量，还可能导致需要进行二次手术，从而增加医疗负担。

肩胛骨假体松动通常与**骨-假体界面的机械应力分布**密切相关。在正常肩关节中，肩胛骨和肱骨头之间的接触力相对均匀，但在关节炎患者中，由于骨质的退化和结构变化，这种力的分布变得不均衡。尤其是当肩胛骨出现不规则的磨损或变形时，局部应变集中可能加剧骨组织的损伤，最终导致假体松动。因此，深入研究不同关节炎亚型对骨质结构和应变分布的影响，对于改进假体设计和手术方案具有重要意义。

### 关节炎亚型与骨质结构变化

肩关节骨性关节炎的分类主要依据肩胛骨和肱骨头的形态变化。Walch分类系统将肩关节骨性关节炎分为三种主要亚型：**A型、B型和C型**。A型代表对称性关节炎，通常没有肱骨头后脱位的情况；B型则表现出不对称性关节炎，并伴有肱骨头后脱位；C型涉及肩胛骨发育不良，表现为过度的后倾（retroversion）和形状改变。这些结构变化不仅影响关节的稳定性，还改变了力的分布模式。

在本研究中，非关节炎和关节炎患者的肩胛骨样本被用于分析其在不同加载条件下的应变分布。研究发现，关节炎患者的肩胛骨表面粗糙度显著增加，特别是在**A1、A2和B2亚型**中。A1亚型主要表现为肩胛骨边缘的磨损，导致骨质结构不均匀；A2亚型则以肩胛骨中心区域的磨损为主，使肩胛骨凹陷加深，改变了其原有的曲率；B2亚型则以肩胛骨后侧的严重侵蚀为特征，形成双凹状的肩胛骨凹槽，这不仅影响了关节的稳定性，还可能在肩胛骨后侧产生较高的局部应变。

这些结构变化在日常活动中的不同加载条件下表现出不同的力学响应。例如，在前侧和后侧的非对称性加载下，A1和A2亚型的肩胛骨显示出更明显的应变集中，而B2亚型则因双凹结构导致后侧区域承受更高的应变。这些发现表明，不同关节炎亚型对骨质结构的影响是独特的，并且在应变分布上存在显著差异。

### 假体植入对应变分布的影响

为了进一步评估假体植入对肩胛骨应变分布的影响，研究者在非关节炎和关节炎样本中植入了标准的肩胛骨假体。假体植入后，应变分布模式发生了显著变化。在非关节炎样本中，植入假体后应变范围增加，表明假体的存在改变了肩胛骨的力学行为。而在关节炎样本中，假体植入在一定程度上**缓解了局部应变集中**，尤其是在A1和A2亚型中，植入假体后应变分布更加均匀。

然而，需要注意的是，并非所有关节炎样本在植入假体后都能保持稳定的应变分布。某些样本由于骨质质量下降或植入过程中受到损伤，导致应变分布模式未能有效改善。例如，样本Ar3和Ar5在植入假体后因机械损伤而无法进行后续分析，这提示在某些情况下，假体植入可能无法完全解决应变集中问题，甚至可能加剧局部骨组织的损伤。

此外，假体植入后，肩胛骨的**前侧和后侧应变分布呈现不对称性**。在植入条件下，前侧承受的应变增加，而后侧则表现出更显著的拉伸应变。这种变化可能是由于假体与骨组织之间的接触和力的重新分布所导致的。因此，假体的设计和植入方式需要考虑患者的骨质结构特点，以实现最佳的力学匹配。

### 应变范围与骨折风险的关系

应变范围是评估骨组织损伤风险的重要指标。较高的应变范围通常意味着骨组织承受的应力更大，从而增加了骨折的可能性。在本研究中，研究人员计算了在**日常活动**中肩胛骨所经历的生理应变范围，并将其作为参考，评估了植入假体前后应变分布的变化。

研究结果表明，尽管在植入假体后，非关节炎和关节炎样本中**应变超出生理范围的骨体积比例相似**，但关节炎样本的应变幅度明显高于非关节炎样本。这一发现提示，即使在相同比例的骨组织承受异常应变的情况下，关节炎患者的骨质可能因退行性改变而更容易发生机械性损伤，从而增加假体松动的风险。

例如，在A1亚型中，植入假体后肩胛骨的应变幅度显著增加，尤其是在后侧加载条件下。这可能与该亚型中肩胛骨后侧的骨质退化有关，导致局部骨组织承受更高的应力。相比之下，A2亚型的肩胛骨在植入后应变分布更加均匀，表明假体可能在一定程度上改善了骨质结构不均带来的力学问题。然而，B2亚型的肩胛骨由于其双凹结构，植入后仍表现出较高的应变水平，这可能与骨质的不规则分布和力学传导路径的改变有关。

### 临床意义与未来研究方向

本研究的发现对临床实践具有重要的指导意义。首先，它强调了**术前评估患者骨质结构的重要性**。由于不同关节炎亚型对骨质结构的影响不同，术前应通过影像学检查（如CT扫描）详细评估患者的肩胛骨形态和骨质质量，以选择合适的假体类型和植入位置。其次，研究结果表明，**个性化假体设计和植入策略**可能有助于减少局部应变集中，从而提高假体的稳定性和使用寿命。

此外，本研究还揭示了**骨水泥在假体植入中的作用**。骨水泥不仅有助于固定假体，还能通过分散应力来减少骨组织的损伤。因此，在手术中合理使用骨水泥，特别是在骨质较差的患者中，可能是降低假体松动风险的重要措施。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，样本数量较小，尤其是关节炎样本仅包括五例，这可能影响结果的统计学意义。其次，实验中采用的加载条件虽然尽可能模拟生理情况，但仍无法完全反映实际肩关节的复杂力学环境。例如，日常活动中的肩关节运动涉及多种因素，包括**不同角度的肩关节外展**、**肌肉力量的动态变化**等，这些因素在实验中难以完全再现。因此，未来的研究应扩大样本规模，并采用更接近真实生理条件的加载方式，以提高研究结果的临床适用性。

### 总结

综上所述，肩关节置换手术后的假体松动是一个复杂的临床问题，涉及骨质结构变化、假体设计和植入方式等多个因素。本研究通过结合原位机械测试和微CT扫描，利用数字体积相关性技术对非关节炎和关节炎患者的肩胛骨在不同加载条件下的应变分布进行了详细分析。研究发现，不同关节炎亚型对骨质结构的影响不同，导致应变分布的差异。在某些情况下，假体植入能够缓解局部应变集中，但其效果可能因患者个体差异而有所不同。

未来的研究应进一步探索**个性化假体设计**和**术前骨质评估**在提高手术成功率中的作用。此外，随着生物力学研究技术的进步，如**高分辨率成像**和**更精确的力学模拟**，有望为临床提供更加精准的指导。最终，通过优化假体设计和手术方案，可以有效减少肩关节置换手术后的并发症，提高患者的长期预后。