基于三維有限元方法探索ACL斷裂后脛股關(guān)節(jié)軌跡異常對(duì)半月板和軟骨應(yīng)力分布的影響.pdf

1、研究背景
　　前交叉韌帶(anteriorcruciateligament，ACL)斷裂可導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)，引起脛骨與股骨之間的位移和旋轉(zhuǎn)異常。脛骨與股骨之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系比較復(fù)雜，包括6個(gè)自由度的位移和旋轉(zhuǎn)，以及股骨內(nèi)外側(cè)髁的前后、內(nèi)外和遠(yuǎn)近位移。ACL是維持膝關(guān)節(jié)正常活動(dòng)的關(guān)鍵紐帶。當(dāng)ACL斷裂后，膝關(guān)節(jié)在屈曲過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脛骨前移、內(nèi)移和內(nèi)旋增加。以往許多關(guān)于ACL斷裂后膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的研究，把股骨的運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)整體來(lái)看待，而忽略了

2、內(nèi)側(cè)髁和外側(cè)髁的運(yùn)動(dòng)。因此，ACL斷裂對(duì)內(nèi)外側(cè)髁運(yùn)動(dòng)的影響在目前仍認(rèn)識(shí)不足，表現(xiàn)在ACL斷裂對(duì)內(nèi)外側(cè)髁前后位移的影響仍存在分歧，而且尚未有文獻(xiàn)報(bào)道ACL斷裂對(duì)內(nèi)外側(cè)髁內(nèi)外和遠(yuǎn)近位移的影響。全面地了解ACL斷裂后脛股關(guān)節(jié)6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)以及股骨內(nèi)外側(cè)髁運(yùn)動(dòng)的異常變化，將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)ACL斷裂對(duì)股骨運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，有助于改進(jìn)ACL重建術(shù)的外科技術(shù)。
　　ACL斷裂引起的脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡改變可進(jìn)一步引發(fā)半月板和軟骨繼發(fā)性損傷。隨著AC

3、L斷裂后脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)的改變，脛股軟骨接觸點(diǎn)在屈曲過(guò)程中出現(xiàn)后移和外移增加，從而引起關(guān)節(jié)負(fù)荷從負(fù)重區(qū)轉(zhuǎn)移到非負(fù)重區(qū)，造成非負(fù)重區(qū)軟骨應(yīng)力增加。此外，ACL斷裂后內(nèi)側(cè)半月板所承受的應(yīng)力也明顯增加。可見(jiàn)，ACL斷裂會(huì)引起關(guān)節(jié)間應(yīng)力重新分配，容易導(dǎo)致半月板和軟骨繼發(fā)性損傷。既往的研究很少對(duì)ACL斷裂后半月板（前角、體部和后角）和軟骨（脛骨軟骨和股骨軟骨）各部分的應(yīng)力情況進(jìn)行細(xì)分觀察。臨床觀察顯示，ACL斷裂對(duì)半月板和軟骨各部分的影響并不完

4、全相同。因此，全面地了解ACL斷裂后半月板和軟骨各部分異常的應(yīng)力分布，將有助于了解半月板和軟骨上出現(xiàn)繼發(fā)性損傷的好發(fā)部位以及了解潛在的損傷機(jī)制。
　　有限元分析法是獲得膝關(guān)節(jié)半月板和軟骨上應(yīng)力分布的有效方法。該方法以研究對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建生物力學(xué)模型，賦予恰當(dāng)?shù)牟牧蠈傩院螅虞d負(fù)荷和邊界條件，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)分析。有限元分析法可以克服體外實(shí)驗(yàn)中標(biāo)本不易獲得、標(biāo)本不能重復(fù)使用等缺點(diǎn)，而且能獲得體外實(shí)驗(yàn)不易獲得的數(shù)據(jù)

5、，如韌帶張力，關(guān)節(jié)間的接觸力、接觸面積，半月板和軟骨的應(yīng)力、應(yīng)變等。有限元分析法已成為研究關(guān)節(jié)生物力學(xué)的可靠手段。
　　在本文中，我們應(yīng)用雙平面X光技術(shù)全面地測(cè)量直立負(fù)重屈曲過(guò)程中，脛股關(guān)節(jié)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)以及股骨內(nèi)外側(cè)髁前后、內(nèi)外和遠(yuǎn)近位移。直立負(fù)重比非負(fù)重能更好地反映和評(píng)估ACL斷裂病理狀態(tài)下的脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。本文先建立應(yīng)用該技術(shù)測(cè)量脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方法，以及驗(yàn)證該技術(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性;接著，我們使用該技術(shù)全面地測(cè)量并分析膝關(guān)節(jié)在直立

6、負(fù)重屈曲過(guò)程中，ACL斷裂后脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)的變化;然后，我們把ACL斷裂后脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡改變的數(shù)據(jù)應(yīng)用到有限元模型中，模擬分析ACL斷裂后內(nèi)外側(cè)半月板前角、體部和后角，以及內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨和股骨軟骨上應(yīng)力分布的變化。
　　研究方法
　　1.雙平面X光技術(shù)測(cè)量脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)方法的建立與體外實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。使用兩臺(tái)X光機(jī)從正交方向同時(shí)采集膝關(guān)節(jié)6個(gè)屈曲位置的雙平面X光影像，CT掃描伸直位的膝關(guān)節(jié)并重建成脛股關(guān)節(jié)三維模型，然后

7、用三維模型與雙平面X光影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得6個(gè)屈曲位置的脛股關(guān)節(jié)模型，通過(guò)建立在模型上的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系測(cè)量出脛股關(guān)節(jié)在屈曲過(guò)程中的位移和旋轉(zhuǎn)。驗(yàn)證過(guò)程如下:CT直接掃描處于6個(gè)屈曲位置的同一個(gè)膝關(guān)節(jié)，并重建成6個(gè)位置的脛股關(guān)節(jié)模型，通過(guò)同一個(gè)坐標(biāo)系測(cè)量出脛股關(guān)節(jié)的位移和旋轉(zhuǎn)，并以此運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，考查雙平面X光技術(shù)所獲得的脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
　　2.測(cè)量ACL斷裂后直立負(fù)重屈曲過(guò)程中脛股關(guān)節(jié)的位移和旋轉(zhuǎn)。應(yīng)用雙平面X光

8、技術(shù)，測(cè)量單側(cè)ACL斷裂患者從伸直位到120°屈曲的弓步下蹲過(guò)程中，ACL斷裂膝和正常對(duì)側(cè)膝的脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)，然后對(duì)比分析患膝與健膝之間脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)的差異，獲得ACL斷裂后脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡改變的數(shù)據(jù)。
　　3.探討ACL斷裂對(duì)半月板和軟骨應(yīng)力分布的影響。應(yīng)用有限元分析法計(jì)算出ACL斷裂膝和正常膝中半月板和軟骨各部分上的應(yīng)力分布。構(gòu)建脛股關(guān)節(jié)有限元模型，并對(duì)此模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。創(chuàng)建ACL斷裂有限元模型，把ACL斷裂后脛

9、股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡改變的數(shù)據(jù)作為邊界條件應(yīng)用到該模型中。計(jì)算出伸直位、15°和30°屈曲時(shí)ACL斷裂模型和正常模型中半月板和軟骨上的應(yīng)力分布，并對(duì)比分析兩個(gè)模型之間半月板和軟骨各部分上應(yīng)力的差異。
　　研究結(jié)果
　　1.雙平面X光技術(shù)能較準(zhǔn)確地測(cè)量脛股關(guān)節(jié)的位移和旋轉(zhuǎn)。該技術(shù)的精確度在前后、內(nèi)外和遠(yuǎn)近位移上分別為0.88mm、0.65mm和0.61mm，在屈伸、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)和內(nèi)外翻轉(zhuǎn)上分別為1.03°、1.09°和0.76°。

10、>　　2.膝關(guān)節(jié)在下蹲屈曲過(guò)程中，在伸直位和15°屈曲時(shí)，ACL斷裂后股骨外側(cè)髁的后移增加，伴隨著股骨的后移和外旋增加。而對(duì)于內(nèi)側(cè)髁的前后位移，內(nèi)外側(cè)髁和股骨的內(nèi)外、遠(yuǎn)近位移，以及股骨的內(nèi)外翻轉(zhuǎn)在ACL斷裂后均與正常膝相似。
　　3.膝關(guān)節(jié)從15°到60°的下蹲屈曲階段中，ACL斷裂后外側(cè)髁后移的幅度顯著減少，這使得股骨后移和外旋的幅度也隨之減少。而對(duì)于內(nèi)側(cè)髁前后移動(dòng)的幅度，內(nèi)外側(cè)髁和股骨內(nèi)外、遠(yuǎn)近移動(dòng)的幅度，以及股骨內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的幅

11、度在ACL斷裂后均與正常膝相似。
　　4.在伸直位到30°屈曲之間，ACL斷裂后內(nèi)外側(cè)半月板上的應(yīng)力均增加。在伸直位時(shí)，ACL斷裂造成內(nèi)側(cè)半月板前角的應(yīng)力增加明顯，外側(cè)半月板前角和體部的應(yīng)力也有所增加;在15°和30°屈曲時(shí)，ACL斷裂后內(nèi)側(cè)半月板后角的應(yīng)力增加明顯，而外側(cè)半月板各部位的應(yīng)力增加不明顯。
　　5.ACL斷裂后內(nèi)外側(cè)脛股軟骨在伸直位到30°屈曲之間所承受的應(yīng)力均增加，其中，內(nèi)側(cè)股骨軟骨的應(yīng)力增幅隨著屈曲的增加而

12、逐漸升高，內(nèi)側(cè)脛骨軟骨的應(yīng)力增幅隨著屈曲逐漸下降，外側(cè)間室中脛股軟骨的應(yīng)力增幅比較小。
　　研究結(jié)論
　　1.建立了雙平面X光技術(shù)全面測(cè)量脛股關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)的方法，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該技術(shù)有效可行。
　　2.在膝關(guān)節(jié)從伸直位到120°的下蹲屈曲過(guò)程中，ACL斷裂主要改變了股骨外側(cè)髁的前后運(yùn)動(dòng)，引起外側(cè)髁在早期屈曲范圍內(nèi)向后松動(dòng)，而且造成外側(cè)髁在屈曲過(guò)程的中間階段向后移動(dòng)的幅度顯著少于正常膝。
　　3.在膝關(guān)節(jié)從伸直位到3