楊驍 李彥林 劉德建 陳泳佳 何映紅

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（昆明650032）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷常見于體育愛好者中，ACL 斷裂在普通人群中的發(fā)病率約為1/3000，在運(yùn)動(dòng)員等進(jìn)行高強(qiáng)度訓(xùn)練的職業(yè)人群中發(fā)病率為60/10000[1]。ACL 解剖重建術(shù)被認(rèn)為是治療ACL 撕裂最有效的方法[2]。膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，主要功能為屈伸、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能決定了它的生物力學(xué)特性。前交叉韌帶是維持膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)之一[3]，單獨(dú)分析前交叉韌帶的生物力學(xué)特性時(shí)不可脫離整個(gè)膝關(guān)節(jié)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究已經(jīng)逐漸走到瓶頸，而三維有限元分析（three-dimensional finite element analy?sis，3D-FEA）憑借在生物力學(xué)研究中的自身固有優(yōu)勢[4]，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性，被逐漸用于膝關(guān)節(jié)問題的研究。本文對3D-FEA 在前交叉韌帶重建中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以利于指導(dǎo)ACL重建術(shù)的改進(jìn)。

1 膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立

要進(jìn)行前交叉韌帶相關(guān)的生物力學(xué)有限元分析，需要建立完整的膝關(guān)節(jié)有限元模型。通常的步驟包括：①運(yùn)用CT 和MRI 進(jìn)行薄層掃描，獲取DICOM 格式的膝關(guān)節(jié)原始圖像數(shù)據(jù)；②利用mimics、3D-doctor等軟件提取數(shù)據(jù)后建立原始幾何模型；③將原始幾何模型導(dǎo)入Hypermesh、Geomagic等軟件中進(jìn)行去噪、平滑、網(wǎng)格化等有限元前處理；④將模型導(dǎo)入ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件中，定義各組織材料屬性和賦值、設(shè)定邊界約束及負(fù)荷；⑤進(jìn)行有限元分析和求解。膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的采集一般可利用三維激光掃描法和斷層掃描成像法，目前主要運(yùn)用CT和MRI兩種斷層掃描成像法采集數(shù)據(jù)。CT對骨組織分辨率較高，但對軟組織分辨率低，而MRI 則對肌肉、韌帶等軟組織有較高分辨率，正好彌補(bǔ)了CT的不足。利用MRI圖像進(jìn)行建模，可以提高建模的真實(shí)性和精確性，但MRI 也不能對所有組織都進(jìn)行區(qū)別，且建模耗時(shí)較多；利用CT 可以方便骨組織的快速重建，但其他軟組織結(jié)構(gòu)無法準(zhǔn)確重建。國內(nèi)有學(xué)者聯(lián)合CT 和MRI 采集的圖像信息建立膝關(guān)節(jié)模型，可保證各解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)性、提高時(shí)效性，但在配準(zhǔn)融合時(shí)仍有技術(shù)難題[5，6]。在材料的屬性及參數(shù)設(shè)定時(shí)，由于骨組織的硬度較大，其變形小于軟組織，因此將其設(shè)置為彈性模量較大的各向同性的線彈性材料；軟骨和半月板也設(shè)置為各向同性的線彈性材[7]；由于韌帶只受拉力、不受壓力的材料特性，故將韌帶的材料屬性設(shè)置為非線性彈簧單元屬性，Achilles 等[8]證實(shí)將關(guān)節(jié)模型的韌帶材質(zhì)屬性設(shè)定為非線性彈簧單元所獲得的有限元分析結(jié)果相比于設(shè)定為線性材質(zhì)時(shí)更接近真實(shí)。王光達(dá)等[9]研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)共有6 個(gè)自由度控制，即在X、Y、Z軸3個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)和位移，不同的膝關(guān)節(jié)有限元分析，模擬的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)環(huán)境不盡相同，其邊界設(shè)定也均不相同。

2 三維有限元分析在前交叉韌帶重建術(shù)中股骨隧道定位中的應(yīng)用

多種因素決定了前交叉韌帶重建術(shù)的成功或失敗，包括股骨和脛骨隧道的位置和角度、半月板和軟骨的狀態(tài)、移植物的材質(zhì)、手術(shù)技巧、移植物預(yù)牽張力和術(shù)后康復(fù)等。前交叉韌帶重建時(shí)主要是經(jīng)脛骨和股骨鉆骨隧道，這經(jīng)常導(dǎo)致移植物的固定位置向前和向上偏移。曾有學(xué)者在尸體上模擬前交叉韌帶重建，然后行膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)試驗(yàn)，但這些試驗(yàn)受到了多種技術(shù)限制。首先是在膝關(guān)節(jié)標(biāo)本上打骨隧道的骨性區(qū)域是有限的，而且每一個(gè)骨隧道之間都必須有穩(wěn)定的骨組織。其次，在尸體試驗(yàn)中評(píng)估不同位置的移植物之間的細(xì)小差異極其困難，這些都限制了對移植物的位置評(píng)估。相比之下，使用有限元分析評(píng)估移植物隧道位置就沒有那么多的限制。Westermann 等[10]圍繞前交叉韌帶股骨足印區(qū)建立了25 種不同股骨隧道位置的有限元模型，對每個(gè)模型都模擬相同的Lachman試驗(yàn)，對比分析每個(gè)模型中前交叉韌帶移植物的張力、脛骨前移程度、軟骨接觸應(yīng)力、內(nèi)外側(cè)半月板應(yīng)力，經(jīng)綜合分析后認(rèn)為當(dāng)ACL移植物股骨端止點(diǎn)位于解剖足印區(qū)前方時(shí)移植物所受張力最大、脛骨前移位最大、各組織結(jié)構(gòu)間的接觸應(yīng)力也最大。綜合文獻(xiàn)，將ACL 移植物固定于股骨端的解剖足印區(qū)最好。在無法確定解剖足印區(qū)時(shí)，可將ACL 移植物固定于距原韌帶附著處稍微偏后、偏下的位置，此時(shí)可得到最佳的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

3 ACL移植物尺寸對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響

在自體肌腱移植前交叉韌帶重建術(shù)中，因個(gè)體差異和手術(shù)醫(yī)生取肌腱的技術(shù)、部位不同，每個(gè)患者的ACL移植物直徑不盡相同。國外有學(xué)者對接受自體腘繩肌腱移植ACL 重建術(shù)后的患者進(jìn)行隨訪發(fā)現(xiàn)，移植物直徑與術(shù)后患者關(guān)節(jié)功能恢復(fù)、手術(shù)失敗率等有線性相關(guān)關(guān)系[11]。Westermann 等[12]通過建立非線性接觸的單束前交叉韌帶重建三維有限元模型，以ACL 移植物的直徑為變量建立了9 個(gè)膝關(guān)節(jié)模型，直徑范圍從5 mm 至9 mm 不等，對所有模型模擬相同的Lachman試驗(yàn)，分析脛骨和股骨前后相對移位距離、半月板應(yīng)力、軟骨接觸應(yīng)力。其認(rèn)為隨著ACL 移植物直徑的增大，脛骨和股骨前后相對位移距離減小，半月板所受的應(yīng)力峰值和關(guān)節(jié)軟骨的接觸應(yīng)力峰值均隨著移植物半徑的增加而減少。綜上所述，在前交叉韌帶重建術(shù)中，在保證股骨隧道定位點(diǎn)精確、安全、移植物長度足夠的前提下，應(yīng)該盡可能增加移植物的直徑，移植物直徑越大，術(shù)后患者關(guān)節(jié)功能和穩(wěn)定性越好。

4 ACL重建中隧道角度對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響

導(dǎo)致ACL重建術(shù)失敗最主要的技術(shù)原因就是錯(cuò)誤的脛骨和股骨隧道位置[13]，隧道只有在正確的解剖位置才能保證手術(shù)的成功。Parkar 等[14]曾報(bào)道當(dāng)脛骨隧道和股骨隧道與膝關(guān)節(jié)冠狀面夾角成60°時(shí)可減低膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)的ACL 移植物張力，并最大程度地減少移植物和后交叉韌帶外側(cè)緣的撞擊。Pe?a等[15]應(yīng)用脛股關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模擬膝關(guān)節(jié)由0°屈曲至60°的運(yùn)動(dòng)過程，通過比較脛骨隧道和股骨隧道分別與冠狀面夾角為60°、70°、80°時(shí)的脛骨前移距離、移植物張力等數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ACL重建術(shù)后，在股骨隧道和脛骨隧道均與冠狀面呈60°時(shí)，所得到的脛骨前移距離與正常膝關(guān)節(jié)模型中的脛骨前移距離最接近，同時(shí)ACL 移植物的張力也是所測得的最小值。股骨隧道與冠狀面間的夾角主要影響移植物的張力，而脛骨隧道與冠狀面間的夾角主要影響ACL 移植物的松弛度，其有限元分析的結(jié)果和體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。Van Der Bracht 等[16]通過對ACL 單束重建的三維有限元模型模擬pivot-shift試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ACL移植物的張力峰值位于股骨隧道的關(guān)節(jié)腔內(nèi)開口處，而脛骨隧道與脛骨平臺(tái)的夾角并不影響ACL 移植物的張力峰值大小和位置；而從外側(cè)打脛骨隧道會(huì)增加移植物在脛骨平臺(tái)開口處的彎折角度，同樣不影響ACL移植物的張力峰值大小，但是會(huì)使張力峰值從股骨隧道口向脛骨隧道口轉(zhuǎn)移。

5 三維有限元分析在分析ACL 移植物預(yù)牽張力中的應(yīng)用

不合適的移植物預(yù)牽張力是ACL重建術(shù)失敗的潛在原因。較高的預(yù)牽張力會(huì)降低運(yùn)動(dòng)性能、延緩移植物血管化、導(dǎo)致移植物粘液樣變、增加關(guān)節(jié)接觸壓力和骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率。而預(yù)牽張力不足會(huì)導(dǎo)致永久性的膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)和功能低下[17]。Pe?a 等[18]通過建立膝關(guān)節(jié)有限元模型，分析了髕腱、股薄肌、半腱肌三種移植物在不同預(yù)牽張力、不同膝關(guān)節(jié)屈曲角度下的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，認(rèn)為在ACL重建術(shù)中，使用髕腱作為移植物且預(yù)牽張力在60 N 時(shí)可使重建后的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性最接近于正常。Halonen 等[19]認(rèn)為對于ACL 重建術(shù)，ACL 移植物的剛度和預(yù)牽拉力比手術(shù)技術(shù)更重要。移植物在術(shù)中固定時(shí)的過度緊張有利于增加術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能穩(wěn)定性，因?yàn)樗幸浦参镌谑中g(shù)后都會(huì)松弛。

6 三維有限元分析在ACL 生物力學(xué)分析中的應(yīng)用

前交叉韌帶在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中具有核心作用[20]，當(dāng)ACL缺失后膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化，半月板和關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力分布也會(huì)隨之改變。陳凱寧等[21]通過對比分析ACL 正常時(shí)和斷裂后的膝關(guān)節(jié)在伸直位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)除了外側(cè)股骨軟骨，內(nèi)外側(cè)間室中半月板和軟骨的應(yīng)力均比正常時(shí)有不同程度的增加，其中內(nèi)側(cè)脛骨軟骨的應(yīng)力增幅最大，內(nèi)側(cè)間室的平均應(yīng)力增幅大于外側(cè)間室。陳凱寧等[22]之后再次通過模擬ACL正常和缺失的膝關(guān)節(jié)在伸直位、15°和30°屈曲位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)ACL斷裂主要導(dǎo)致內(nèi)側(cè)半月板前角和后角的應(yīng)力分別在膝伸直位和屈曲位顯著增加，而內(nèi)外側(cè)半月板體部無明顯的應(yīng)力改變。Yao 等[23]建立了前交叉韌帶缺失的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)半月板對整個(gè)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性作用最大，且內(nèi)側(cè)半月板后側(cè)部位承受負(fù)荷也較大。此結(jié)果解釋了大部分ACL缺失患者內(nèi)側(cè)半月板后部退變最嚴(yán)重的現(xiàn)象。Xie 等[24]通過建立正常膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)前交叉韌帶的內(nèi)部張力呈不均勻分布，前內(nèi)側(cè)束比后外側(cè)束承受更多的張力；前交叉韌帶內(nèi)部的張力隨著脛骨的前移而增加，且張力從脛骨止點(diǎn)向股骨止點(diǎn)傳導(dǎo)增加，ACL 的張力集中于股骨止點(diǎn)附近，這也解釋了大部分患者的ACL 斷裂均位于股骨止點(diǎn)附近。Zhang 等[25]通過對ACL 止點(diǎn)的解剖研究和模擬Lachman、pivot-shift試驗(yàn)的三維有限元分析，證實(shí)ACL脛骨止點(diǎn)為一扁長的弧形。較大的脛骨平臺(tái)后傾角（posterior tibial slope，PTS），將導(dǎo)致ACL 在運(yùn)動(dòng)中承受更大的應(yīng)力，是ACL 非接觸性損傷的一個(gè)高危因素[26]。Qi 等[27]建立了脛骨平臺(tái)后傾角分別為2°、7°、12°的三個(gè)三維有限元模型，模擬相同的加載條件，發(fā)現(xiàn)脛骨和股骨的相對位移隨著PTS 的增加而增大，ACL承受的張力也表現(xiàn)為同樣的趨勢。其研究結(jié)果支持了大部分臨床觀察結(jié)果。

綜上所述，三維有限元分析可用于探索更多前交叉韌帶相關(guān)生物力學(xué)特性，也可用于其他骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析研究。FEA 避免了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)周期長、耗費(fèi)大量人力物力、人和動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)差異的缺點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)模型對復(fù)雜的ACL重建術(shù)后的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，通過對模型的數(shù)據(jù)分析評(píng)估，可獲取最佳的ACL 重建術(shù)中的隧道位置等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)手術(shù)。FEA也克服了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體實(shí)驗(yàn)研究中的外界條件對實(shí)驗(yàn)的影響，不僅具有穩(wěn)定性的特點(diǎn)，還節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要對實(shí)驗(yàn)力學(xué)因素進(jìn)行控制，也可以對同一有限元模型進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)干預(yù)。另一方面，有限元分析只是一種數(shù)字化模擬方法，仍停留于理論層面，若不與傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、解剖學(xué)、臨床隨訪等相結(jié)合，就無法驗(yàn)證三維有限元分析的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。目前，國內(nèi)外學(xué)者出于不同的研究目的建立了不同的有限元模型，在軟組織的塑造和構(gòu)建上質(zhì)量參差不齊，浪費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力，筆者倡導(dǎo)共同建立標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量、應(yīng)用廣的三維有限元模型數(shù)據(jù)庫，供研究者使用，共同推動(dòng)有限元分析的發(fā)展。