ACL功能缺失對膝半月板、關(guān)節(jié)軟骨影響的臨床和有限元仿真研究.pdf

1、一、研究背景與目的
　　 前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament,ACL)是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu),同時(shí)也是最易發(fā)生損傷的韌帶,隨著中國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,人們生活水平的提高,交通傷和運(yùn)動(dòng)傷病人日益增多,ACL損傷發(fā)病率呈逐年增高趨勢。ACL損傷后會導(dǎo)致脛骨前移不受被動(dòng)機(jī)械限制和動(dòng)態(tài)反射限制,造成膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)軌跡改變從而關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變、應(yīng)力分布失常,繼發(fā)性的發(fā)生半月板、軟骨損傷,關(guān)節(jié)退行性變,嚴(yán)

2、重影響患者膝關(guān)節(jié)的功能,降低運(yùn)動(dòng)能力。盡管目前對ACL解剖、功能以及治療方法的研究很多,ACL損傷后的早期重建手術(shù)治療也得到了大部分學(xué)者認(rèn)同,但是目前還鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)ACL損傷的臨床自然轉(zhuǎn)歸,ACL損傷后發(fā)生繼發(fā)性半月板、軟骨損傷部位、程度及其發(fā)生、發(fā)展的一般規(guī)律;也沒有學(xué)者能夠確切的解釋在ACL損傷后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)發(fā)生的量化改變。由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究方法有其固有缺陷如:費(fèi)用高、難以模擬所有工況且不能獲得全域性的力學(xué)分布信息等,而作

3、為生物組織這種邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀都不規(guī)則的復(fù)雜問題,三維有限元仿真分析是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的行之有效的方法。因此本課題擬應(yīng)用大樣本量ACL損傷病例,應(yīng)用臨床流行病學(xué)研究方法結(jié)合三維有限元仿真分析技術(shù)研究ACL功能缺失后對半月板、軟骨造成的影響及其生物力學(xué)因素。
　　 二、研究方法
　　 1.遴選ACL損傷病例進(jìn)行臨床流行病學(xué)研究,分析ACL功能缺失情況下,膝關(guān)節(jié)半月板、軟骨損傷的部位、程度及其發(fā)生、發(fā)展的一般規(guī)律。

4、r>　　 2.選取健康成人志愿者左膝關(guān)節(jié)伸直位3.0T磁共振掃描圖像為源數(shù)據(jù),應(yīng)用Mimics、Geomagic及Hypermesh等軟件,通過膝關(guān)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理及幾何重構(gòu)、網(wǎng)格劃分過程構(gòu)建全膝關(guān)節(jié)三維有限元仿真分析平臺。
　　 3.在Ansys軟件中將已劃分好網(wǎng)格的模型錄入材料力學(xué)特性,約束邊界條件及在模型上加載載荷,進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算,首先觀察正常膝關(guān)節(jié)在載荷條件下的應(yīng)力空間分布,然后觀察ACL功

5、能缺失情況下的應(yīng)力空間分布,比較分析發(fā)生在半月板、軟骨上的應(yīng)力改變情況。
　　 三、研究結(jié)果
　　 1.366例ACL功能缺失病人中有223例病人出現(xiàn)半月板不同程度損傷,發(fā)病率為60.9％,其中最常見的類型為內(nèi)側(cè)半月板后角損傷,共有110例,發(fā)病率為30.1％;有75例病人合并一處或多處軟骨損傷,發(fā)病率20.5％,損傷最常見的為股骨內(nèi)髁,為51例(38.9％),其次為內(nèi)側(cè)脛骨平臺,27例(20.6％)。
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6、.在傷后早期TFI＜6周時(shí)外側(cè)半月板發(fā)病率最高,而內(nèi)側(cè)半月板發(fā)病率最低,提示我們推測外側(cè)半月板的損傷可能主要是由于受傷時(shí)的直接暴力造成。隨著TFI延長,外側(cè)半月板發(fā)病率變化保持基本穩(wěn)定,而內(nèi)側(cè)半月板和軟骨隨著TFI的延長,發(fā)病率顯著增加,提示我們推測內(nèi)側(cè)半月板和軟骨的損傷可能主要是由于ACL功能缺失引起膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)造成。
　　 3.按6周、3月、6月、12月、2年五個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)前后,半月板及

7、軟骨損傷發(fā)病情況均具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p＜0.01),這也提示我們在ACL損傷后,為避免繼發(fā)性半月板和軟骨損傷,應(yīng)盡早進(jìn)行ACL重建手術(shù)治療,但是為了減少2-3周內(nèi)重建可能存在的關(guān)節(jié)纖維化風(fēng)險(xiǎn),我們建議最佳的重建時(shí)間應(yīng)在受傷后4-6周內(nèi)。
　　 4.以3.0T磁共振掃描健康志愿者膝關(guān)節(jié)伸直位圖像為源數(shù)據(jù),應(yīng)用Mimics、Geomagic及Hypermesh等軟件成功構(gòu)建了包含股骨遠(yuǎn)端、脛腓骨近端、髕骨、髕韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前

8、后交叉韌帶、半月板、軟骨在內(nèi)的全膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。整個(gè)模型共有節(jié)點(diǎn)106293個(gè),單元326935個(gè)。
　　 5.應(yīng)用Ansys軟件,通過材料屬性、邊界條件及載荷的引入成功的進(jìn)行了正常膝關(guān)節(jié)及ACL功能缺失狀態(tài)下的有限元分析計(jì)算并獲得了半月板、軟骨最大應(yīng)力區(qū)域;應(yīng)力空間分布的應(yīng)力云圖以及當(dāng)ACL功能缺失時(shí)的應(yīng)力變化趨勢,有限元分析結(jié)果較好的符合了臨床研究結(jié)論。
　　 四、研究結(jié)論
　　 1.通過大樣本量國人A

9、CL損傷病例進(jìn)行臨床流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)分析,在ACL損傷后早期外側(cè)半月板發(fā)病率最高,隨著TFI延長,外側(cè)半月板發(fā)病率變化保持基本穩(wěn)定,而內(nèi)側(cè)半月板和軟骨隨著TFI的延長,發(fā)病率顯著增加,我們推測,外側(cè)半月板損傷可能主要是由于受傷時(shí)的直接暴力造成,內(nèi)側(cè)半月板和軟骨的損傷可能主要是由于ACL功能缺失引起膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)造成的繼發(fā)損傷。為避免繼發(fā)性半月板和軟骨損傷,應(yīng)盡早進(jìn)行ACL重建手術(shù)治療,但是為了減少2-3周內(nèi)重建可能存在的關(guān)節(jié)纖維化風(fēng)險(xiǎn),我們建議

10、最佳的重建時(shí)間應(yīng)在受傷后4-6周內(nèi)。
　　 2.以高質(zhì)量磁共振圖像為源數(shù)據(jù),運(yùn)用逆向工程技術(shù),可以有效的建立更真實(shí)的包含軟、硬組織在內(nèi)的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,所建模型結(jié)構(gòu)完整,幾何相似度高。此模型可用于各種工況的有限元分析及作為今后深入研究的原始模型。
　　 3.應(yīng)用三維有限元法能夠良好的進(jìn)行膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究,通過網(wǎng)格的劃分、材料屬性、約束條件及載荷的引入,較準(zhǔn)確的模擬了在ACL功能缺失情況下膝關(guān)節(jié)內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變