ACL功能缺失對膝半月板、關節(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)是維持膝關節(jié)穩(wěn)定的重要結構,同時也是最易發(fā)生損傷的韌帶,隨著中國經濟社會的快速發(fā)展,人們生活水平的提高,交通傷和運動傷病人日益增多,ACL損傷發(fā)病率呈逐年增高趨勢。ACL損傷后會導致脛骨前移不受被動機械限制和動態(tài)反射限制,造成膝關節(jié)不穩(wěn)、運動軌跡改變從而關節(jié)生物力學改變、應力分布失常,繼發(fā)性的發(fā)生半月板、軟骨損傷,關節(jié)退行性變,嚴

2、重影響患者膝關節(jié)的功能,降低運動能力。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治療也得到了大部分學者認同,但是目前還鮮有文獻報導ACL損傷的臨床自然轉歸,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;也沒有學者能夠確切的解釋在ACL損傷后膝關節(jié)生物力學發(fā)生的量化改變。由于傳統(tǒng)的實驗生物力學研究方法有其固有缺陷如:費用高、難以模擬所有工況且不能獲得全域性的力學分布信息等,而作

3、為生物組織這種邊界條件和結構形狀都不規(guī)則的復雜問題,三維有限元仿真分析是對其結構進行力學分析的行之有效的方法。因此本課題擬應用大樣本量ACL損傷病例,應用臨床流行病學研究方法結合三維有限元仿真分析技術研究ACL功能缺失后對半月板、軟骨造成的影響及其生物力學因素。
　　 二、研究方法
　　 1.遴選ACL損傷病例進行臨床流行病學研究,分析ACL功能缺失情況下,膝關節(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節(jié)伸直位3.0T磁共振掃描圖像為源數據,應用Mimics、Geomagic及Hypermesh等軟件,通過膝關節(jié)點云數據的提取,點云數據的預處理及幾何重構、網格劃分過程構建全膝關節(jié)三維有限元仿真分析平臺。
　　 3.在Ansys軟件中將已劃分好網格的模型錄入材料力學特性,約束邊界條件及在模型上加載載荷,進行有限元結構非線性計算,首先觀察正常膝關節(jié)在載荷條件下的應力空間分布,然后觀察ACL功

5、能缺失情況下的應力空間分布,比較分析發(fā)生在半月板、軟骨上的應力改變情況。
　　 三、研究結果
　　 1.366例ACL功能缺失病人中有223例病人出現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側半月板后角損傷,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髁,為51例(38.9％),其次為內側脛骨平臺,27例(20.6％)。
　　 2

6、.在傷后早期TFI＜6周時外側半月板發(fā)病率最高,而內側半月板發(fā)病率最低,提示我們推測外側半月板的損傷可能主要是由于受傷時的直接暴力造成。隨著TFI延長,外側半月板發(fā)病率變化保持基本穩(wěn)定,而內側半月板和軟骨隨著TFI的延長,發(fā)病率顯著增加,提示我們推測內側半月板和軟骨的損傷可能主要是由于ACL功能缺失引起膝關節(jié)不穩(wěn)造成。
　　 3.按6周、3月、6月、12月、2年五個節(jié)點進行分類統(tǒng)計,統(tǒng)計學分析結果表明,在每一個節(jié)點前后,半月板及

7、軟骨損傷發(fā)病情況均具有顯著統(tǒng)計學差異(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,應盡早進行ACL重建手術治療,但是為了減少2-3周內重建可能存在的關節(jié)纖維化風險,我們建議最佳的重建時間應在受傷后4-6周內。
　　 4.以3.0T磁共振掃描健康志愿者膝關節(jié)伸直位圖像為源數據,應用Mimics、Geomagic及Hypermesh等軟件成功構建了包含股骨遠端、脛腓骨近端、髕骨、髕韌帶、內外側副韌帶、前

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

9、CL損傷病例進行臨床流行病學統(tǒng)計分析,在ACL損傷后早期外側半月板發(fā)病率最高,隨著TFI延長,外側半月板發(fā)病率變化保持基本穩(wěn)定,而內側半月板和軟骨隨著TFI的延長,發(fā)病率顯著增加,我們推測,外側半月板損傷可能主要是由于受傷時的直接暴力造成,內側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,應盡早進行ACL重建手術治療,但是為了減少2-3周內重建可能存在的關節(jié)纖維化風險,我們建議

10、最佳的重建時間應在受傷后4-6周內。
　　 2.以高質量磁共振圖像為源數據,運用逆向工程技術,可以有效的建立更真實的包含軟、硬組織在內的膝關節(jié)三維有限元模型,所建模型結構完整,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.應用三維有限元法能夠良好的進行膝關節(jié)生物力學研究,通過網格的劃分、材料屬性、約束條件及載荷的引入,較準確的模擬了在ACL功能缺失情況下膝關節(jié)內各組織結構的應力變