浅刺治疗膝骨性关节炎患者登梯运动中生物力学效应的有限元分析

刘冬青，赵改平，吴坤能，梁彭，杭声琪，王芗斌，马童，凃意辉

1.上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海，200093）

2.福建中医药大学附属第三人民医院 康复科（福州，350100）

3.同济大学附属杨浦医院骨科（上海，200090）

0 引言

膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是常见的进行性骨关节疾病，是由于软骨发生退变或结构紊乱而导致关节正常功能受损［1］，给患者行走带来困难，特别是登梯运动中表现尤为明显。治疗KOA常见的方法有手术治疗和非手术治疗，非手术治疗中的中医针灸疗法是KOA早期有效治疗方法之一。针灸疗法可以改善患者局部血液循环，使气血通畅，对周围组织起到松解黏连的作用，达到减轻疼痛，缓解僵硬等效果［2］。其中浅刺针法是毫针刺法的一种，是指将针体刺入穴位内组织较浅部位，给予皮下神经末梢一个相对微弱的刺激［3］，改善血液循环，减轻软骨损伤程度，纠正膝关节力学平衡。目前有大量的临床研究证明浅刺治疗KOA疗效明确，王娟［4］应用温针灸和电针治疗瘀血阻滞型KOA均有良好的临床效果，均能有效改善患者膝关节运动情况。齐琳婧［5］通过浅刺运动疗法可减轻KOA患者行走困难。浅刺针法轻巧简便，且施针后不辅助进针手法，患者无痛感，易于患者接受。

随着医学影像、计算机和软件技术的突飞猛进，有限元方法在骨科生物力学研究中占有重要地位，成为临床研究中必不可少的辅助手段。Dong等［6］利用CT和MRI数据构建更精准的膝关节三维有限元模型，研究股骨软骨缺损面积扩大情况下应力变化趋势。钟锦然［7］采用三维有限元模型研究电针治疗对KOA患者半月板应力的影响情况，发现电针治疗可降低半月板应力。林木南等［8］建立针刀治疗KOA的模型，发现针刀治疗可以降低软组织压力，使关节内力平衡。针对浅刺治疗KOA的有限元研究文献报道较少，且上下楼梯运动中下肢关节较平地步行需要更大的活动度与肌力矩来维持运动，这使得KOA患者在登梯运动中表现出更大的困难［9］。

本研究基于KOA患者膝关节CT和MRI图像数据，建立登梯运动中膝关节受地面支反力较显著的屈膝角度上楼梯50°和下楼梯15°的膝关节三维有限元模型，研究膝关节内部生物力学特性变化，分析浅刺治疗前后和健康组膝关节内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨的应力分布，探析浅刺治疗KOA的疗效。

1 材料和方法

1.1 浅刺治疗K OA

KOA属于中医“痹症”、“骨痹”、“膝痹”等范畴，临床症状表现为关节疼痛、运动受限、关节变形，甚至导致患者身体功能障碍，病因主要为气血虚、肝肾亏损、血脉不通。治疗以补气血、益肝肾、通血脉为主［10］。根据临床经验及文献［11］选穴以膝周穴位为主，取穴犊鼻、内膝眼、阳陵泉、阴陵泉、膝阳关、足三里、梁丘、血海等穴位。通过针刺，促进膝关节局部血液循环，结合神经调节，放松周围肌肉，减轻患者症状，改善膝关节功能，从而达到临床治疗效果［5］。

1.2 人体膝关节有限元模型建立

基于膝关节CT和MRI图像数据，利用医学图像处理软件Mimics重建膝关节的骨骼、软骨和韧带等组织结构，三维配准后导入逆向工程软件Geomagic中光洁修复生成膝关节三维几何模型。通过有限元前处理软件Hypermesh采用四面体单元网格划分，根据韧带纤维组织特性，采用只承受张力载荷且无压力特征的Truss单元模拟，建立包括股骨、股骨软骨、胫骨、胫骨软骨、半月板、前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）、外侧副韧带（lateral collateral ligament，LCL）、内侧副韧带（medial collateral ligament，MCL）的人体膝关节有限元模型见图1(a)。依据上述方法建立KOA患者上楼梯屈曲50°和下楼梯屈曲15°的膝关节有限元模型见图1(b)、图1(c)。ACL、PCL、LCL、MCL截面积分别是42 mm2、60 mm2、18 mm2和 25 mm2［12］。材料属性［13-15］由杨氏模量E（MPa）和泊松比μ来描述：骨骼（E=17 000，μ=0.3）、软骨（E=12，μ=0.46）、ACL（E=116，μ=0.3）、PCL（E=87，μ=0.3）、LCL和 MCL（E=48，μ=0.3）、半月板（E=59，μ=0.49）。

图1 膝关节有限元模型Fig.1 Finite element model of knee

1.3 边界条件与载荷

与水平行走相比，楼梯运动需要更大范围的膝盖弯曲角度和膝盖弯曲力矩，膝关节承受更大的压力。根据福建中医药大学实验测试获得数据，选取身体所受支反力显著的2个屈曲角度研究，即上楼梯屈曲50°和下楼梯屈曲15°。浅刺治疗前后的载荷数据由福建中医药大学人体三维步态实验室通过临床试验提供，选择18名年龄在50～80岁之间的早期KOA患者作为研究对象，要求患者双侧膝关节均有病变，但可以独自平地行走，近2个月内可以进行浅刺治疗，排除患有骨折等不利于步态监测的疾病或重大疾病患者，保证每个研究对象均自愿且同意发表研究结果。于患者下肢贴mark点，作为动作捕捉点，通过地面测力板测得地面对人体膝关节的反作用力。治疗持续3周，共11次，每次持续时间30 min。最后取18名患者治疗前后膝关节所受载荷的平均值赋给治疗前、后模型。

固定胫骨与腓骨下表面，限制6个方向的自由度，在股骨髁中心点上施加力和力矩，下楼梯膝关节屈曲15°时，浅刺治疗前后分别施加载荷为321 %BW（average body weight为60 kg）、47 N·m和288 %BW、50 N·m。上楼梯膝关节屈曲50°时，浅刺治疗前后施加载荷分别为301 %BW、56 N·m和275 %BW、58 N·m。健康组屈曲15°和50°，在股骨髁中心点施加156 %BW、66 N·m和112 %BW、30.6 N·m 的载荷［16-18］。

2 结果

2.1 上楼梯屈曲50°的结果分析

膝关节直立位无损模型中胫骨软骨、内外侧半月板和股骨软骨计算结果见图2。其中胫骨软骨、内外侧半月板、股骨软骨的最大接触应力值为2.57、2.96、2.55、2.40 MPa， 模 拟 结 果 与 Li等［19］、Bendjaballah 等［12］、Meghan 等［20］、Pena 等［21］采用有限元分析获得的最大接触应力相符，与Seitz等［22］实验测得的胫骨软骨数据相符，验证了模型的有效性。

图2 0°无损模型验证Fig. 2 0° non-destructive model verification

上楼梯膝关节屈曲50°时浅刺治疗前后和健康组中半月板、胫骨和股骨软骨的最大应力值对比见图3。浅刺治疗前内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨的最大应力值分别为4.691 MPa、7.076 MPa、2.43 MPa、1.458 MPa、2.215 MPa，浅刺治疗后分别下降了9.27 %、7.31 %、7.04 %、8.71 %、8.26 %，软骨和半月板的应力峰值均有明显下降，其中半月板的最大应力值下降最为明显。

图3 膝关节软骨和半月板应力峰值对比图Fig. 3 Peak stress of knee cartilage and meniscus

膝关节浅刺治疗前、后和健康情况下软骨与半月板的应力分布见图4，每组从左到右依次是健康组、浅刺前、浅刺后。浅刺治疗前后内外侧半月板的应力峰值分别由4.691 MPa、7.076 MPa下降为4.256 MPa、 6.559 MPa，且应力分布均匀平缓。KOA患者内外侧半月板的应力分布范围比正常组显著增加，且应力集中较为明显，半月板的应力集中主要位于体部内侧并向前后角延伸。对比浅刺前后与健康组，浅刺治疗能减小半月板应力集中分布范围使其向半月板内侧边缘处缩小，降低应力峰值，从而减轻半月板体部的过度磨损达到治疗效果。浅刺治疗后股骨软骨最大应力值为2.43 MPa，较治疗前减小0.171 MPa，浅刺前股骨软骨与半月板、胫骨软骨接触区域出现应力集中，且外侧更为明显，治疗后范围均有所缩小。内外侧胫骨软骨应力峰值较治疗前减少0.127 MPa、0.183 MPa，由1.458 MPa、2.215 MPa降至1.331 MPa、2.032 MPa。与健康组相比，患病使得胫骨软骨应力集中范围由中部外侧向中间及后缘扩大，浅刺治疗后胫骨软骨应力集中分布区域面积明显减少。关节软骨具有降低骨骼相对摩擦以及均衡压力减轻冲击等作用，应力集中范围减小有利于力更均匀的传递。

图4 上楼梯屈曲50°膝关节软骨和半月板三种状态下应力分布云图Fig. 4 Stress distribution of articular cartilage and meniscus in three states at ascend stairs flexion 50°

2.2 下楼梯屈曲15°的结果分析

下楼梯膝关节屈曲15°时浅刺治疗前后和健康组中关节软骨和半月板的最大应力值对比见图5。浅刺治疗前内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨最大应力值为6.538 MPa、6.295 MPa、3.543 MPa、2.394 MPa，较治疗后降幅为8.43%、10.74%、10.24%、8.94%和11.4%。浅刺治疗可以降低软骨、半月板最大应力值。

图5 膝关节软骨和半月板最大应力对比图Fig. 5 Peak stress of knee cartilage and meniscus

膝关节软骨和半月板在浅刺治疗前后和健康组中应力分布情况见图6。浅刺治疗前半月板应力集中分布区域为内侧半月板体部和外侧半月板的体部与前角，应力峰值较治疗后增大0.551、0.676 MPa，较正常情况分别增加1.264、3.374 MPa。但浅刺治疗使应力集中区域较治疗前向半月板内部边缘进一步缩小，体部应力集中现象明显减轻。股骨软骨应力主要集中分布在与半月板、胫骨软骨相接触的位置，浅刺治疗后最大应力下降了0.363 MPa。KOA患者胫骨软骨的中部及后缘位置应力集中明显，尤其外侧胫骨软骨的后缘部位高压明显。浅刺治疗前，内外侧胫骨软骨的最大应力值较治疗后分别增大0.204、0.273 MPa，浅刺治疗后最大应力集中区域范围减小，应力分布向正常膝关节分布情况靠近，可以更好地分散和吸收应力，浅刺从内部生物力学特性上分析，对于治疗KOA具有一定的疗效。

图6 上楼梯屈曲50°膝关节软骨和半月板3种状态下应力分布云图Fig. 6 Stress distribution of articular cartilage and meniscus in three states atascend stairs flexion 50°.

3 讨论

基于KOA患者膝关节CT和MRI图像数据，建立上下楼梯运动中膝关节屈膝50°和15°的三维有限元模型，分析浅刺治疗前、后和健康组膝关节股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板的应力分布。结果显示，KOA患者半月板体部和前角、关节软骨与半月板接触部位存在明显的应力集中现象，且较健康组高出30%。膝关节内外侧承受负重不均衡，导致出现局部应力集中现象，与张礼平等［23］研究结果相似，膝关节力学结构失衡时，关节面应力将会重新分布出现局部应力集中。对比浅刺前后和健康组的半月板和关节软骨应力集中的区域、应力峰值所处的部位可以看出，应力均是在同一位置，仅应力集中面积以及峰值大小有所差异。浅刺治疗后软骨、半月板的应力集中区域明显减小，应力峰值均有所下降，与林木南等［8］采用针刀治疗KOA、钟锦然［7］使用电针治疗KOA的研究结论相似，浅刺治疗有助于恢复半月板、关节软骨的功能。随着有限元方法的发展和计算机求解能力的增强，在后续的研究中可以完善模型建立，同时施加肌肉力，从而获得更加全面的生物力学数据，更好地为浅刺治疗疗效的验证提供理论依据。