髕股關(guān)節(jié)整體解剖-力學(xué)效能分型初步研究.pdf

1、一、研究背景與目的 髕股關(guān)節(jié)軟骨損傷發(fā)病率高，是關(guān)節(jié)外科、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)常見且防治棘手的一類疾病，最終將導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎等嚴(yán)重后果。直立行走的特點(diǎn)賦予人類髕股關(guān)節(jié)復(fù)雜的生物力學(xué)環(huán)境、造就了其人類獨(dú)特的解剖形態(tài)。 具備良好生物力學(xué)效能的髕股關(guān)節(jié)就如同一個(gè)家庭，其和諧美滿不僅取決于單個(gè)家庭成員，且需要相互之間理解配合，更要與復(fù)雜的外部環(huán)境相適應(yīng)。在髕股關(guān)節(jié)中，髕骨與股骨滑車的解剖形態(tài)是發(fā)揮其生物力學(xué)效能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，良好的髕骨與

2、股骨滑車的匹配關(guān)系是發(fā)揮其生物力學(xué)效能的重要保障；當(dāng)髕骨或股骨滑車的解剖形態(tài)異常時(shí)，易引起髕股關(guān)節(jié)排列異常等病理性適配狀態(tài)，使其無(wú)法適應(yīng)周圍復(fù)雜的生物力學(xué)環(huán)境，將會(huì)使髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布異常，并最終導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)軟骨損傷等嚴(yán)重后果。 但是，目前對(duì)于髕股關(guān)節(jié)解剖形態(tài)的研究，不僅仍局限于僅針對(duì)髕骨或股骨滑車各自單獨(dú)的形態(tài)特征進(jìn)行觀察，而且未能從生物力學(xué)效能的角度對(duì)該關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)進(jìn)行研究，因此前人建立的單獨(dú)針對(duì)髕骨或股骨滑車的分型方法

3、不能有效判別該關(guān)節(jié)的力學(xué)效能優(yōu)劣及預(yù)測(cè)該關(guān)節(jié)的損傷，缺乏針對(duì)髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)效能的整體解剖分型已成為對(duì)該關(guān)節(jié)進(jìn)行深入研究的瓶頸。 一、研究?jī)?nèi)容與方法 本研究擬采用以下方法初步擬定髕股關(guān)節(jié)整體解剖分型方案： 1.初步擬定髕股關(guān)節(jié)整體解剖分型方案的臨床解剖學(xué)研究 通過(guò)將髕股關(guān)節(jié)軟骨損傷與未損傷患者進(jìn)行病例對(duì)照研究，探尋與髕股關(guān)節(jié)軟骨損傷相關(guān)的解剖形態(tài)參數(shù)，以間接篩選出與髕股關(guān)節(jié)力學(xué)效能相關(guān)的解剖形態(tài)參數(shù)。然后

4、以篩選出的解剖學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)觀察髕股關(guān)節(jié)MRI圖像，初步擬定髕股關(guān)節(jié)整體解剖分型方案。 2.髕股關(guān)節(jié)整體解剖類型三維有限元應(yīng)力分布對(duì)比研究 采用基于活體MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建髕股關(guān)節(jié)整體解剖類型的骨軟骨三維有限元模型，通過(guò)有限元數(shù)學(xué)模型對(duì)比分析此各髕股關(guān)節(jié)整體解剖類型在屈膝300時(shí)髕股關(guān)節(jié)面間的應(yīng)力分布，以對(duì)髕股關(guān)節(jié)整體解剖分型方案進(jìn)行初步驗(yàn)證。 三、研究結(jié)果 1.病例對(duì)照研究結(jié)果顯示，共有16項(xiàng)髕股關(guān)節(jié)解剖

5、形態(tài)參數(shù)與軟骨損傷顯著相關(guān)(P for trend<0.05)分別為：①評(píng)價(jià)髕骨解剖形態(tài)的參數(shù)，髕骨面角、髕骨外側(cè)面寬度、髕骨外側(cè)面比例；②評(píng)價(jià)股骨滑車解剖形態(tài)的參數(shù)，滑車溝角、滑車溝寬度、滑車溝深度、滑車溝外側(cè)面寬度、滑車溝外側(cè)面比例、滑車溝相對(duì)深度；③評(píng)價(jià)髕股關(guān)節(jié)適配性的參數(shù)，髕骨外移度、髕骨髁上軸角、外側(cè)髕股角、髕骨傾斜角、髕股適合角、寬吻合度、深吻合度。 2.通過(guò)觀察髕股關(guān)節(jié)MRI圖像，選取“滑車溝外側(cè)面比例、滑車溝相對(duì)

6、深度”為核心參數(shù)；依據(jù)“滑車溝外側(cè)面比例”三分位數(shù)從小至大的變化區(qū)間，將髕股關(guān)節(jié)解剖形態(tài)分為I、II、III三型；各型再根據(jù)“滑車溝相對(duì)深度”的分布范圍，依據(jù)其三分位數(shù)從小至大各分為三個(gè)亞型，分別命名Ia、Ib、Ic，Ila、IIb、IIc，IIIa、IIIb、IIIc。 3.本研究基于活體髕股關(guān)節(jié)矢狀位二維FLASH序列MRI圖像，通過(guò)手工提取髕股關(guān)節(jié)骨、軟骨輪廓，并利用AutoCAD軟件對(duì)其進(jìn)行精確的修整與裝配，成功構(gòu)建了髕

7、股關(guān)節(jié)整體解剖分型II型、III型髕股關(guān)節(jié)骨、軟骨三維實(shí)體模型。 4.有限元應(yīng)力分布研究結(jié)果顯示：II型髕股關(guān)節(jié)整體解剖類型在屈膝30°狀態(tài)下，股四頭肌肌力200N，接觸面最小應(yīng)力0.138MPa，峰值應(yīng)力2.364MPa，平均應(yīng)力1.018MPa；髕骨側(cè)峰值應(yīng)力1.639MPa，平均應(yīng)力1.108MPa；股骨側(cè)峰值應(yīng)力1.652MPa，平均應(yīng)力1.021MPa；應(yīng)力較均勻分布于髕股關(guān)節(jié)接觸面的內(nèi)側(cè)、中央、外側(cè)面的廣泛區(qū)域；II

8、I型髕股關(guān)節(jié)整體解剖類型在屈膝30°狀態(tài)下，股四頭肌肌力200N，接觸面接觸面最小應(yīng)力0.209MPa，峰值應(yīng)力2.509MPa，平均應(yīng)力1.347MPa；髕骨側(cè)峰值應(yīng)力1.884MPa，平均應(yīng)力1.270MPa；股骨側(cè)峰值應(yīng)力1.359MPa，平均應(yīng)力1.104MPa；應(yīng)力分布不均勻，主要集中于外側(cè)髕股關(guān)節(jié)面。 四、研究結(jié)論 1.髕股關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)復(fù)雜多樣，本研究通過(guò)髕股關(guān)節(jié)解剖形態(tài)與其軟骨損傷的相關(guān)性研究，間接篩選出

9、影響髕股關(guān)節(jié)力學(xué)效能的解剖形態(tài)參數(shù)。 2.從影響髕股關(guān)節(jié)力學(xué)效能的解剖形態(tài)參數(shù)中篩選出“滑車溝外側(cè)面比例、滑車溝相對(duì)深度”為核心參數(shù)，根據(jù)此二參數(shù)初步擬定了髕股關(guān)節(jié)整體解剖分型方案，本方案有助于對(duì)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)效能進(jìn)行無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確的個(gè)體化評(píng)價(jià)。 3.基于MRI數(shù)據(jù)可精確構(gòu)建各種髕股關(guān)節(jié)解剖類型的髕股關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型，且該模型可應(yīng)用于髕股關(guān)節(jié)的三維有限元應(yīng)力分布分析。 4.有限元分析結(jié)果表明，髕股關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)發(fā)育不良