趙勇 韋俊余 秦偉凱 劉廣偉 侯成志 陳彥飛

髕股關(guān)節(jié)炎是以股骨與髕骨所構(gòu)成關(guān)節(jié)之間軟骨的磨損、剝脫、軟骨下骨硬化和滑膜增生肥厚等為主要病理改變的退行性骨關(guān)節(jié)疾病[1-2]。研究表明髕骨異常的運(yùn)動(dòng)軌跡造成髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)紊亂，是導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)炎的主要原因之一，而髕股關(guān)節(jié)周圍的肌肉、韌帶等軟組織是維持髕骨正常運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[3-5]。基于前期的臨床研究和實(shí)踐，理筋提髕手法可通過(guò)改善髕骨的異常運(yùn)動(dòng)軌跡緩解患者的臨床癥狀，但該手法具體的生物力學(xué)機(jī)制尚不明確。本研究通過(guò)三維有限元技術(shù)，進(jìn)一步解析理筋提髕手法的力學(xué)機(jī)制，以期為該手法的臨床應(yīng)用和推廣提供力學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取2019年1月至2019年6月就診于中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院骨傷中心門(mén)診的1例早期髕股關(guān)節(jié)炎患者。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn)

參照《中國(guó)髕股關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎診療指南》[6](2020年版)。

1.3 納入標(biāo)準(zhǔn)

1)符合早期髕股關(guān)節(jié)炎的診斷標(biāo)準(zhǔn)。2)簽署知情同意書(shū)。3)髕股關(guān)節(jié)的活動(dòng)性較正常髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡差，即Merehant 軸位所測(cè)量的髕股吻合角應(yīng)滿足髕股吻合角<6°或?yàn)檎怠?)年齡在40～55歲之間。5)經(jīng)X線檢查排除外傷史和先天發(fā)育不良等情況。

1.4 方法

1.4.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備 螺旋電子計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)(螺旋CT)基本信息：64排，德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)；提供單位為中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院放射科。

聯(lián)想計(jì)算機(jī)工作站：計(jì)算機(jī)屬性為windows8.0 CPU Inter pentium P6000，CPU主頻為1.86 GHz，顯存為8 GB。

醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)：比利時(shí)Materialise公司Mimics10.01(交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng))，32位；美國(guó)達(dá)索SIMULIA公司Solidworks2016軟件。

有限元分析處理軟件：美國(guó)ANSYS公司ANSYS Workbence18.0軟件和美國(guó)Altair公司Hypermesh12.0軟件。

1.4.2初始數(shù)據(jù)的采集 美國(guó)GE公司的電子計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)配置的Brightspeed掃描儀，對(duì)早期髕股關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行圖像采集。掃描范圍：以髕骨為中心，膝關(guān)節(jié)向上向下各10 cm；層距和層厚均為1 mm，最終獲得斷層掃描圖像354張，并將此圖像以DICOM格式保存于刻錄光盤(pán)中。

1.4.3膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立 針對(duì)理筋提髕手法治療早期髕股關(guān)節(jié)炎的力學(xué)分析，主要觀測(cè)髕股關(guān)節(jié)面應(yīng)力的大小變化及應(yīng)力分布區(qū)域的改變。本實(shí)驗(yàn)所干預(yù)的是髕骨外移的距離，故對(duì)膝關(guān)節(jié)相應(yīng)的韌帶組織做了簡(jiǎn)化處理，即以簡(jiǎn)化的彈簧模型替代了相應(yīng)的韌帶，尤其是髕骨的內(nèi)外側(cè)支持帶和內(nèi)外側(cè)副韌帶。本模型總計(jì)構(gòu)建12組解剖結(jié)構(gòu)單元，其中主要包括其支撐與組成結(jié)構(gòu)的髕骨、股骨遠(yuǎn)端、腓骨近端和脛骨近端4組骨性結(jié)構(gòu)；髕韌帶、股四頭肌肌腱、內(nèi)外側(cè)支持帶、內(nèi)外側(cè)半月板和內(nèi)外側(cè)副韌帶8組軟組織結(jié)構(gòu)；并查閱相關(guān)文獻(xiàn)賦予相應(yīng)骨性和軟組織結(jié)構(gòu)的材料屬性[7-8]，以便使其更接近于真實(shí)的人體生物組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的提取與處理、圖像分割(閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)和手動(dòng)分割)、幾何重建、逆向處理、網(wǎng)格劃分、材料屬性賦值、約束邊界條件等操作，完成了膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建，為進(jìn)一步負(fù)荷加載分析做好相應(yīng)的準(zhǔn)備(見(jiàn)圖1和圖2)。本模型共構(gòu)建總網(wǎng)格數(shù)767 507個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)219 349個(gè)(見(jiàn)表1)。

圖1 模型側(cè)位

圖2 模型正位

表1 膝關(guān)節(jié)三維有限元模型相關(guān)參數(shù)

1.4.4負(fù)荷加載條件的確立 研究表明[9]從膝關(guān)節(jié)屈曲90°位到逐漸伸直的過(guò)程中，股四頭肌肌腱平均受到的拉力約為200 N。本研究模型的建立正是基于患膝屈曲90°位采集的，故給予股四頭肌肌腱的牽拉力為200 N。在股四頭肌肌腱末端建立RP點(diǎn)，RP點(diǎn)與股四頭肌肌腱建立Coupling連接關(guān)系；在RP點(diǎn)上添加200 N拉力載荷(見(jiàn)圖3)。

圖3 膝關(guān)節(jié)屈曲90°有限元模型股四頭肌肌腱負(fù)荷的加載

1.4.5有限元模型的干預(yù) 本研究主要是基于前期臨床研究的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步解析理筋提髕手法的力學(xué)作用機(jī)制，即理筋提髕手法改善髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡的影像學(xué)數(shù)據(jù)(髕骨外移的距離)進(jìn)行相關(guān)的模型數(shù)值干預(yù)。前期臨床研究表明，早期髕股關(guān)節(jié)炎經(jīng)理筋提髕手法治療后，髕骨的外移距離會(huì)減小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析，減小距離的平均值約為0.2 cm。故有限元模型研究的干預(yù)就是基于該數(shù)據(jù)在膝關(guān)節(jié)屈曲的不同角度進(jìn)行髕骨外移距離的改變。根據(jù)是否進(jìn)行髕骨外移手法的干預(yù)分為干預(yù)組和未干預(yù)組，分別在膝關(guān)節(jié)屈曲90°、60°和30°的狀態(tài)下，進(jìn)行應(yīng)力大小和應(yīng)力分布區(qū)域改變的分析，總計(jì)共6種工況。以膝關(guān)節(jié)屈曲30°為例，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 屈曲30°干預(yù)前

圖5 屈曲30°干預(yù)后

2 結(jié)果

2.1 髕股關(guān)節(jié)軟骨面應(yīng)力峰值的改變

膝關(guān)節(jié)屈曲90°、60°和30°時(shí)工況模型的髕骨軟骨關(guān)節(jié)面的應(yīng)力峰值，干預(yù)組較未干預(yù)組分別下降了0.47、0.99和1.81 MPa；股骨滑車軟骨關(guān)節(jié)面的應(yīng)力峰值干預(yù)組較未干預(yù)組分別下降了0.72、0.73和1.64 MPa(見(jiàn)表2)。隨著膝關(guān)節(jié)逐漸伸直，髕股關(guān)節(jié)面軟骨的應(yīng)力峰值減小更明顯。通過(guò)未干預(yù)組和干預(yù)組的對(duì)比，還可以得出屈曲90°未干預(yù)>屈曲90°干預(yù)>屈曲60°未干預(yù)>屈曲60°干預(yù)>屈曲30°未干預(yù)>屈曲30°干預(yù)。隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增大，髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力也增大(屈曲不超過(guò)90°)。

表2 不同工況下髕骨軟骨關(guān)節(jié)面和股骨滑車軟骨關(guān)節(jié)面應(yīng)力峰值(MPa)

2.2 髕股關(guān)節(jié)軟骨面應(yīng)力分布的改變

從應(yīng)力云圖(圖6和圖7)可以看出：經(jīng)理筋提髕手法干預(yù)后，髕股關(guān)節(jié)面應(yīng)力集中區(qū)域的面積有不同程度的增大，尤其是髕股關(guān)節(jié)面的股骨和髕骨內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面的應(yīng)力接觸面積有所增加。根據(jù)壓強(qiáng)等于壓力除以相應(yīng)的面積可知：隨著髕股關(guān)節(jié)面應(yīng)力峰值的降低，髕股關(guān)節(jié)面應(yīng)力接觸面積的增大，髕股關(guān)節(jié)面異常的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中的異常狀態(tài)在手法干預(yù)后得到了明顯的改善(以膝屈曲60°為例)。

圖6 膝屈曲60°未干預(yù)組髕股關(guān)節(jié)面軟骨應(yīng)力分布云圖

圖7 膝屈曲60°干預(yù)組髕股關(guān)節(jié)面軟骨應(yīng)力分布云圖

3 討論

3.1 髕骨異常運(yùn)動(dòng)軌跡與早期髕股關(guān)節(jié)炎的發(fā)病

臨床上早期髕股關(guān)節(jié)炎多見(jiàn)于髕骨脫位、半脫位和髕骨外移等髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡異常的患者，且以髕骨外移引起者更為常見(jiàn)[10]。髕骨外移一方面導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)面外側(cè)應(yīng)力集中，另一方面導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)面內(nèi)側(cè)應(yīng)力不足，兩者均不利于軟骨的代謝，均會(huì)加速軟骨的退變。研究表明[11]關(guān)節(jié)的異常負(fù)荷會(huì)破壞軟骨細(xì)胞的正常修復(fù)過(guò)程，并可誘導(dǎo)炎性因子的釋放，激活相關(guān)信號(hào)通路，促使基質(zhì)降解和破壞。劉文華等[12]通過(guò)關(guān)節(jié)間應(yīng)力變化的研究表明：應(yīng)力過(guò)于集中或者應(yīng)力過(guò)于分散，無(wú)論其是間歇性的還是持續(xù)性的，均會(huì)引起軟骨細(xì)胞的病理性凋亡。

3.2 理筋提髕手法對(duì)髕骨異常運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

理筋提髕手法主要包括理筋和提髕兩部分，膝周軟組織的松解即理筋，其主要包括股四頭肌、腘繩肌、腓腸肌、內(nèi)外側(cè)支持帶、髕韌帶和筋結(jié)點(diǎn)等的松解；髕骨的推移和提拿即提髕，是本手法的關(guān)鍵。理筋提髕手法主要作用于髕骨和內(nèi)外側(cè)支持帶，尤以髕骨和外側(cè)支持帶為要。在中醫(yī)理論“筋束骨”的指導(dǎo)下，通過(guò)提髕手法操作，將髕骨向內(nèi)推移至極限而間接地松解外側(cè)支持帶，從而改善髕骨外移的病理狀態(tài)。理筋提髕手法通過(guò)改善髕骨異常的運(yùn)動(dòng)軌跡，減緩了早期髕股關(guān)節(jié)炎的病理進(jìn)程。

3.3 膝關(guān)節(jié)有限元分析的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展，有限元分析逐漸滲透到骨科的各個(gè)領(lǐng)域[13]。近年來(lái)應(yīng)用推拿手法治療髕股關(guān)節(jié)炎取得了一定的臨床療效，對(duì)其力學(xué)作用機(jī)制的研究也越發(fā)受到重視，通過(guò)有限元法解析手法的力學(xué)作用機(jī)制也成為新的研究方向之一。通過(guò)膝關(guān)節(jié)有限元模型可以模擬不同手法作用下，膝關(guān)節(jié)的屈曲、髕骨的位移和韌帶的松解等情況，進(jìn)而獲得不同工況下髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力大小和應(yīng)力分布區(qū)域[14-15]，這是尸體實(shí)驗(yàn)所無(wú)法達(dá)到的。有限元分析與傳統(tǒng)的尸體實(shí)驗(yàn)相比具有以下的優(yōu)勢(shì)：1)可以逼真地模擬人體的生理和病理狀態(tài)；2)可重復(fù)操作性強(qiáng)且無(wú)創(chuàng)，可以模擬不同的干預(yù)條件而獲得相應(yīng)的結(jié)果[16]；3)結(jié)合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)，結(jié)果更加精確；4)價(jià)格相對(duì)低廉。

3.4 理筋提髕手法作用時(shí)髕股軟骨面的有限元分析及其意義

從本研究的結(jié)果看，早期髕股關(guān)節(jié)炎患者的應(yīng)力分布區(qū)域集中在髕骨和股骨滑車軟骨面的中外側(cè)(見(jiàn)圖6)；股骨滑車軟骨面應(yīng)力峰值為9.61 MPa，髕骨軟骨面應(yīng)力峰值為11.27 MPa(見(jiàn)表2)。在理筋提髕手法干預(yù)后，髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力集中分布區(qū)域有所分散，主要在髕股關(guān)節(jié)軟骨面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)(見(jiàn)圖7)；股骨滑車軟骨面應(yīng)力峰值為8.88 MPa，髕骨軟骨面應(yīng)力峰值為10.28 MPa(見(jiàn)表2)。在理筋提髕手法干預(yù)后，髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力有所減小。這主要是由于該手法一方面通過(guò)理筋操作使股四頭肌、內(nèi)外側(cè)支持帶等髕周軟組織得以松解；另一方面通過(guò)提髕操作，推移和提拿髕骨使髕周軟組織得以間接松解，尤其是外側(cè)支持帶的被動(dòng)拉伸；兩者共同起到松解髕周軟組織的作用。這提示針對(duì)髕骨外移的患者，在手法臨床操作過(guò)程中應(yīng)循序漸進(jìn)，從筋出發(fā)，重視“筋”之功能，尤其是通過(guò)向內(nèi)推移髕骨，間接松解外側(cè)支持帶。最終通過(guò)恢復(fù)髕周軟組織之間的力學(xué)平衡，達(dá)到經(jīng)筋治骨的目的。此外，無(wú)論是干預(yù)前還是干預(yù)后，隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的逐漸減小，髕股關(guān)節(jié)軟骨面的應(yīng)力峰值也逐漸減小(見(jiàn)表2)。這對(duì)于早期髕股關(guān)節(jié)炎的防治具有重要的指導(dǎo)意義，即應(yīng)減少膝關(guān)節(jié)屈曲的運(yùn)動(dòng)，如上下樓梯、下蹲等。此外，當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲30°時(shí)，股骨滑車和髕骨軟骨面的應(yīng)力峰值在干預(yù)后下降最明顯，這可能是因?yàn)樵诖私嵌润x骨與股骨滑車關(guān)節(jié)面剛開(kāi)始接觸的緣故。

通過(guò)膝關(guān)節(jié)有限元模型，可以解析理筋提髕手法治療髕股關(guān)節(jié)炎的力學(xué)機(jī)制。但該手法不僅作用于髕骨和內(nèi)外側(cè)支持帶，還作用于膝關(guān)節(jié)周圍肌群等軟組織，因有限元分析的局限性，其所建立的模型也只能是接近膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，并不能完全代表人體的生物組織特性，因此本研究也只是從髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡這一個(gè)角度闡述了該手法的作用機(jī)制。關(guān)于理筋提髕手法的其他生物學(xué)作用機(jī)制，有待實(shí)驗(yàn)和臨床的進(jìn)一步探索和研究，以期為臨床的推廣和應(yīng)用提供更有力的數(shù)據(jù)支持。