前交叉韧带重建联合内侧半月板部分切除术后不同屈膝状态下胫股关节生物力学变化的有限元分析

张晓辉 王 俊 廖八根

1.广州体育学院运动医学室，广东广州 515500；2.高尚医学影像广州中心，广东广州 515500

前交叉韧带断裂是临床常见的运动损伤，前交叉韧带重建术（anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR)对稳定膝关节起着关键的作用，但ACLR 术后中、长期膝关节患骨性关节炎风险仍很高[1-3]，特别是联合部分半月板切除术者[4-5]。膝关节生物力学的改变在膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）的发病机制中起着关键作用[6]，包括胫股接触面积和应力、半月板的形变位移等均可能会导致软骨的形态特征改变，诱发骨性关节炎。有限元分析可根据复杂的解剖结构及边界条件设定后，加载负荷分析骨关节的力学变化[7-12]。使用膝关节有限元模型进行仿真可直观地了解胫股关节的生物力学特征[13]，但目前基于不同屈膝状态下建立的术后有限元模型研究较少，膝关节软骨、半月板在不同运动负荷中的力学行为特征仍有待阐明。本研究拟构建ACLR 联合内侧半月板部分切除术（partial medial meniscectomy，PMM）术后不同关节活动度的有限元模型以阐明其力学特征，为临床康复提供参考信息。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018 年6 月于广州体育学院运动医学室行右膝ACLR 联合PMM 的35 岁男性患者1 例为研究对象。实验方案经广州体育学院运动医学室人体实验伦理委员会批准（2020DWLL-008），患者签署知情同意书。本研究起止时间为：2020 年2 月至5 月。

1.2 实验设备与数据采集

①核磁共振（SIEMENS 3.0T Skyra，德国）选择扫描3D 质子密度加权成像序列，研究对象以仰卧膝关节伸直位。②联想ThinkStation 工作站（Windows 10.0操作系统，CPU P330，I7-9700K 8 核，主频3.6 GHz，显存32 GB）。③软件：Mimics 20.0（Materialise 公司，比利时），Geomagic Studio 2013（Raindrop 公司，美国），Solidworks 2018（Dassault Systemes，美国），网格处理软件Hypermesh（Altair 公司，美国），有限元分析软件ANSYS 17.0（ANSYS 公司，美国）。

1.3 建模方法

①将核磁扫描的DICOM 文件导入Mimics 20.0，调节灰度值，设置阈值、手工编辑图层工具修整模型后导出为STL 格式，见图1。②采用Geomagic Studio 2013 对STL 格式的模型进行去除钉状物和多余特征处理，使用精确曲面模块探测轮廓线得到轮廓线模型，生成曲面模型并导出为STP 几何格式，见图2。③使用Solidworks 2018 对几何模型特征识别和曲面诊断、修复，建立膝关各结构的不同弯曲角度模型，保存为SLDPRT 格式，见图3。④将几何模型导入到ANSYS 17.0 软件中，建立Static Structural 分析类型，在分析材料库中分别建立骨骼、半月板、关节软骨、韧带等材料属性参数，对模型赋予相关的材料属性。

图1 Mimics 图像处理

图2 膝关节曲面模型处理图

图3 构建膝关节分析模型

1.4 材料属性

本研究关注软骨和半月板的应力和相对运动，不考虑骨骼的形变，将骨骼视为密质骨，定义其为均匀各向同性材料。黏弹性材料在承受负载后短时内不会出现明显变化，因此将软骨及半月板定义为线弹性各向同性材料，韧带具有超弹性，视为各向同性材料[14]，具体参数见表1。

表1 骨骼、软骨与韧带的材料属性参数

1.5 边界条件

边界条件设定：股骨屈伸运动受限，维持膝伸直位，内外翻和轴向旋转自由度及3 个方向的平移自由度不受约束，胫腓骨远端固定。内侧半月板内缘与内侧副韧带捆绑连接。

1.6 加载条件

加载条件设定：胫腓骨远端面固定，对股骨施加转动位移载荷，X 轴为股骨内外髁中心的连线，股骨绕X 轴分别旋转0°、30°、60°。基于Ahmed 等[15]和王俊然等[16]的研究对模型施加载荷：在股骨顶端的截面上，沿竖直向下的方向加载1150 N 的压缩力；在股骨内外髁中点连线的对股骨施加134 N 的股骨后向推力。

1.7 膝关节有限元模型的验证

本模型与Shirazi 等[17]边界条件和中立位0°相同的加载的结果基本相同，可认为此模型有效。

2 结果

2.1 膝关节有限元模型的建立

本模型单元总数为582 044，节点总数为391 670，高度模拟了膝关节的结构和材料特性。见图4。

图4 加载后的膝关节有限元模型

2.2 股骨髁软骨关节、胫骨平台软骨、半月板的接触应力情况

屈膝0°，即膝关节伸直时，股骨髁软骨应力集中于中部，胫骨平台软骨应力主要集中于中、后部，内侧半月板应力集中于被切除的残留端；30°、60°时股骨髁软骨应力均集中于后部；30°时胫骨平台软骨应力主要集中于前外侧，60°时集中于中部；内侧半月板30°时应力集中于在前部，60°时在中部。见图5（封四）。内侧股骨髁软骨、胫骨平台软骨的最大应力由大到小依次为屈膝60°、0°、30°，外侧股骨髁软骨及胫骨平台软骨、内侧半月板的最大应力由大到小依次为屈膝60°、30°、0°，外侧半月板最大应力由大到小依次为屈膝30°、60°、0°，内侧胫骨平台与股骨髁软骨不同屈膝角度的最大应力均大于外侧，内侧半月板最大应力在屈膝0°、30°时小于外侧，屈膝60°时大于外侧。见图6。

图5 不同屈膝角度下股骨髁软骨.胫骨平台软骨及半月板应力云图

图6 有限元加载后不同屈膝角度下股骨髁软骨、胫骨平台软骨及半月板最大应力条形图

2.3 半月板形变位移特征

各角度下内侧半月板形变位移均小于外侧。当伸直0°时双侧半月板位移方向相同，前角与体部均向前方位移，后角向后侧位移；屈30°时内侧半月板体部及后角向后侧位移，外侧半月板前角向后侧位移，体部向两侧边缘位移，60°时内侧半月板向后侧位移，外侧半月板前后角向后侧位移，体部向后方位移。见图7（封四）。

图7 不同屈膝角度下半月板位移矢量图

3 讨论

ACLR 联合PMM 后继发KOA 的发生率较高，有限元模型有助于全面地了解膝关节的生物力学特征。前期已有研究证实膝关节有限元分析计算模型的有效性[18-23]，但既往多数研究为伸直位0°的静态分析，对关节内应力的动态变化未能完整再现。本研究构建了ACLR 联合PMM 术后膝关节有限元模型，在不同屈膝状态下施加载荷进行仿真分析，旨在阐明胫-股关节的生物力学特性。

本研究中，模型伸直0°时有限元模拟结果与既往研究[16-17]在应力分布、峰值数相似，提示该模型的可靠性，且随着膝关节的屈曲角度加大，胫股关节的接触面积逐渐增大。在力学行为上，最大应力随着屈曲度加大逐渐向后移：0°的屈膝时，胫股关节的接触区域主要发生在中部，且接触面积相对较小；而从30°屈膝至60°时，接触区域逐渐后移到胫股关节后部，接触部分的最大应力随着增加。膝关节半月板起着承受应力，通过形变吸收震荡、分散应力的作用。正常人伸直位对膝关节内侧间室的接触压强数值大于外侧间室。本研究结果显示ACLR 联合PMM 术后患者与健康人不同的力学特征：0°、30°时外侧半月板最大应力大于内侧，胫股关节内侧软骨接触区域的接触应力大于外侧，在股骨髁与半月板接触区域外侧最大应力于内侧。原因可能是：PMM 术后内侧半月板的环向承载能力减弱，内侧关节间隙增大胫股关节软骨接触面积减小。在0°和30°轴向加载过程中，外侧半月板发生正常的轴向形变并向边缘处移动，而在内侧胫股关节间隙相对较大，内侧半月板残余边缘处产生局部挤压变形，股骨远端的轴向位移，与内侧胫骨平台软骨直接接触使之最大应力增大，此时内侧半月板最大应力小于外侧；而随着屈膝加大到60°，关节腔压力增大且最大应力集中于关节后部，内侧半月板形变及位移作用减弱致使该区域的内侧关节软骨及半月板残余端接最大应力大于外侧。

Dong 等[24]对各类型半月板损伤模型研究提示：软骨在垂直应力下应力值与不同损伤类型及程度有关，且从不同屈曲角度验证了峰值剪切主应力和峰值压缩主应力，表明PMM 术后半月板环向强度的下降，半月板在载荷下形变作用减弱，使关节的最大应力随着增大。本研究则从不同关节活动下展现半月板在应力载荷形变位移特征：外侧半月板的最大位移值大于内侧，0°最大形变位于其体部，屈30°、60°则在体部与后角外侧较内侧形变更大。应力的传递过程，剪切应力的集中出现在半月板切除的部位，造成异常超载的现象的原因可能是内侧半月板与软骨的接触面积减少，缓冲作用下降，随着屈曲角度加大，半月板向后位移这种现象更有明显。

本研究所显示的软骨应力、半月板位移变化可能与压缩载荷下的瞬时效应有关，有研究提示，如胫股关节长期较高的剪切应力可能会导致关节力学紊乱，从而使软骨基质的张力降低从而触发KOA 发生[25]。内侧半月板最大应力峰值较大且该侧软骨具有最大应力随屈膝角度加大而增加的力学行为特征，对揭示KOA 的发生及演变具有潜在价值。结合上述研究结果，本研究有助于理解此类损伤术后继发KOA 的临床机制[26-27]。基于以上结果可推测：ACLR 联合PMM 术后长期在屈膝度加大时承受相应负荷，可能是触发内侧胫股关节发生KOA 力学因素。本研究存在一些局限之处：为单一病例研究，尚未构建手术前后的模型对照；未对各损伤类型进行比较分析，在真实运动环境中胫股关节的应力特征有待进一步研究。