張永弟 賈康 孫寶鈺 楊光 董威 馮巖

摘 要：為了幫助膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷或斷裂患者快速康復(fù)，設(shè)計(jì)了一款個(gè)性化康復(fù)支具。首先，采用膝關(guān)節(jié)CT及MRI圖像，使用Mimics，3-matic等軟件構(gòu)建了前交叉韌帶正常和斷裂情況下的三維膝關(guān)節(jié)模型。其次，利用Ansys軟件分析了膝關(guān)節(jié)屈曲0°，30°，60°，90°時(shí)，在固定外載荷作用下內(nèi)、外側(cè)副韌帶和后交叉韌帶的應(yīng)力變化情況。最后，根據(jù)最新循證醫(yī)學(xué)證據(jù)和臨床經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用正、逆向建模技術(shù)設(shè)計(jì)了一款針對(duì)前交叉韌帶損傷的膝關(guān)節(jié)康復(fù)支具，并通過(guò)虛擬穿戴支具分析了膝關(guān)節(jié)組織的受力情況。結(jié)果表明：前交叉韌帶斷裂會(huì)顯著增加膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)副韌帶和后交叉韌帶的應(yīng)力和股骨相對(duì)于脛骨的位移。所設(shè)計(jì)的支具能有效減少膝關(guān)節(jié)因前交叉韌帶斷裂而產(chǎn)生的過(guò)度位移和其他韌帶的應(yīng)力，對(duì)患者康復(fù)具有積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：康復(fù)工程學(xué);膝關(guān)節(jié);前交叉韌帶;有限元分析;支具

中圖分類號(hào)：R496?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03005

Digital design of personalized rehabilitation brace for anterior cruciate ligament

ZHANG Yongdi1，JIA Kang1，SUN Baoyu1，YANG Guang1，DONG Wei2，F(xiàn)ENG Yan1

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Department of Orthopedics，The First Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang，Hebei 050030，China）

Abstract：In order to help patients with knee anterior cruciate ligament injury or rupture recover quickly，a personalized rehabilitation brace was designed.Firstly，By using CT and MRI images of knee joint and software such as mimics and 3-matic，the three-dimensional knee joint model under normal and broken anterior cruciate ligament was constructed.Secondly，the stress changes of medial collateral ligament，lateral collateral ligament and posterior cruciate ligament were analyzed by Ansys software when the knee flexion was 0°，30°，60° and 90° under the fixed external loads.Finally，according to the latest evidence-based medicine evidence and clinical experience，a knee rehabilitation brace for anterior cruciate ligament injury was designed by using forward and reverse modeling technology，and the stress of knee tissue was analyzed by virtual wearing brace.The results show that： the rupture of anterior cruciate ligament will significantly increase the stress of medial collateral ligament，lateral collateral ligament，posterior cruciate ligament of knee joint and the displacement of femur relative to tibia.The designed brace can effectively reduce the excessive displacement of the knee joint caused by the rupture of the anterior cruciate ligament and the stress of other ligaments，and can actively promote the rehabilitation of patients.

Keywords：

rehabilitation engineering;knee joint;ACL;finite element analysis;brace

膝關(guān)節(jié)是人體最大、最復(fù)雜的受力屈曲關(guān)節(jié)，在人體正常的活動(dòng)中起著重要作用[1]。由于其特定的生理結(jié)構(gòu)特性，日常運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷成為運(yùn)動(dòng)中最主要的損傷之一。韌帶在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定功能中發(fā)揮著重要的作用，膝關(guān)節(jié)4條主要韌帶有前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）、外側(cè)副韌帶（lateral collateral ligament，LCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（medial collateral ligament，MCL）。冰雪運(yùn)動(dòng)中常見(jiàn)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷為ACL損傷。比如在高山滑雪項(xiàng)目中，因滑雪板前端受阻，膝關(guān)節(jié)會(huì)受外翻和外旋聯(lián)合力矩作用，ACL很容易發(fā)生損傷甚至斷裂;越野滑雪運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員由于速度過(guò)快，失去重心向前跌倒時(shí)，膝部著地、導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)遭受暴力撞擊，此時(shí)脛骨屈曲并過(guò)度向前移動(dòng)，也會(huì)造成ACL損傷。美國(guó)每年有10萬(wàn)人發(fā)生膝關(guān)節(jié)ACL損傷[2]。ACL斷裂會(huì)引起關(guān)節(jié)間應(yīng)力重新分配，容易導(dǎo)致繼發(fā)性損傷，近年來(lái)，中國(guó)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷病例數(shù)據(jù)分析顯示，ACL常合并其他主要韌帶損傷的概率達(dá)42.7%[3]。

膝關(guān)節(jié)ACL損傷一般經(jīng)醫(yī)學(xué)治療后，需在后期的康復(fù)訓(xùn)練中佩戴支具。盡管用可調(diào)節(jié)支具取代石膏固定的方式在一定程度上避免了鍛煉不當(dāng)導(dǎo)致的受損韌帶二次損傷，但目前國(guó)內(nèi)所用可調(diào)節(jié)支具并不能針對(duì)特定患者進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，而是統(tǒng)一大批量生產(chǎn)，因此很難精確貼合患者膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)并模擬韌帶的運(yùn)動(dòng)功能。對(duì)于恢復(fù)需求較高的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，一款符合生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)功能的支具尤為重要。

膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的康復(fù)治療過(guò)程中佩戴個(gè)性化支具能加快患者康復(fù)，為此需要建立完整的全膝關(guān)節(jié)模型，分析膝關(guān)節(jié)ACL損傷或斷裂情況下，膝關(guān)節(jié)及周圍韌帶的受力情況，為康復(fù)治療過(guò)程中個(gè)性化支具的設(shè)計(jì)提供力學(xué)理論依據(jù)。

有限元分析是一種針對(duì)幾何和數(shù)字化模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力的計(jì)算方法[4]，不但可以模擬不同荷載加載方式和約束條件，也可以模擬不同病理狀態(tài)下的生物力學(xué)特征。對(duì)于傳統(tǒng)生物力學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行的人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜力學(xué)分析，有限元分析方法可以有效應(yīng)對(duì)[5-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在建立人體正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)正常膝關(guān)節(jié)受到股骨后向力載荷和聯(lián)合力矩的兩種情況下，對(duì)不同屈曲狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)韌帶生物力學(xué)進(jìn)行了有限元分析[8-10]，但針對(duì)發(fā)病率較高的膝關(guān)節(jié)ACL損傷或斷裂后，膝關(guān)節(jié)其他主要韌帶生物力學(xué)分析未做進(jìn)一步分析。

本研究旨在通過(guò)有限元分析方法，通過(guò)逆向工程和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，構(gòu)建完整的正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型和ACL斷裂的膝關(guān)節(jié)有限元模型，模擬ACL斷裂狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的其他各韌帶的受力情況，以正常膝關(guān)節(jié)受力情況為參考進(jìn)行對(duì)比分析，從受力分析結(jié)果為個(gè)性化康復(fù)支具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，最終設(shè)計(jì)出一款針對(duì)膝關(guān)節(jié)ACL損傷的個(gè)性化康復(fù)支具。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取1名健康的成年男性志愿者，年齡26歲，身高174 cm，體重70 kg，既往無(wú)膝部外傷手術(shù)史，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查其膝關(guān)節(jié)無(wú)可見(jiàn)器質(zhì)性病變和畸形，與國(guó)內(nèi)人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)相符，有一定的廣泛性。

1.2 設(shè)備和軟件

1.2.1 設(shè)備

西門子64排螺旋斷層掃描機(jī);西門子Avanto1.5T超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng);聯(lián)想E32 i7 7700k工作站。

1.2.2 軟件

醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 19.0和3-matic（Leuven公司，比利時(shí)）;逆向工程軟件Geomagic Wrap 2015（Geomagic公司，美國(guó)）、正向建模軟件Solidworks2018（達(dá)索Simulia公司，美國(guó)）;有限元分析軟件Ansys 19.2（Ansys公司，美國(guó)）;拓?fù)鋬?yōu)化軟件Inspire2018（Altair公司，美國(guó)）。

1.3 膝關(guān)節(jié)CT和MRI原始數(shù)據(jù)采集

志愿者取仰臥位，右側(cè)膝關(guān)節(jié)于伸直位進(jìn)行CT和MRI掃描，本次CT掃描得到層厚0.625 mm，層距0.4 mm連續(xù)二維斷層圖像850張;同時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行MRI掃描，得到層厚1 mm的無(wú)間隔3D容積掃描圖像256張，掃描獲得的斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式刻錄于光盤以供有限元軟件讀取和轉(zhuǎn)化。

1.4 膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立

采集DICOM格式的CT原始影像數(shù)據(jù)輸入醫(yī)學(xué)影像處理軟件 Mimics 21.0，自動(dòng)分割出冠狀面和水平面，進(jìn)行骨骼模型初步重建。將Mimics生成的骨骼STL文件依次導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行多余特征處理并進(jìn)行曲面擬合[11]。將Geomagic Wrap導(dǎo)出后的模型利用Solidworks 2018進(jìn)行裝配。根據(jù)MRI影像的韌帶特征，利用3-matic建模軟件構(gòu)建韌帶，建立了包括骨骼、半月板、軟骨和主要韌帶的膝關(guān)節(jié)有限元模型[12-14]。建模過(guò)程如圖1所示。

把正常膝關(guān)節(jié)模型導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)為115 235，節(jié)點(diǎn)數(shù)為38 541，建立正常膝關(guān)節(jié)有限元分析網(wǎng)格模型，如圖2 a）—c）所示。然后移除ACL，建立ACL缺失膝關(guān)節(jié)模型，模擬ACL完全斷裂的情況，如圖2 d）所示。

1.5 膝關(guān)節(jié)有限元分析方法

1）材料參數(shù)設(shè)定 定義骨骼部分為剛體，定義半月板、韌帶及軟骨為各向同性的彈性材料。實(shí)驗(yàn)中膝關(guān)節(jié)不同組織的生物力學(xué)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[15]。表1為膝關(guān)節(jié)各組織的生物力學(xué)屬性。

2）模型驗(yàn)證 保持此模型ACL完整，股骨和脛骨遠(yuǎn)端在6個(gè)自由度上約束固定，脛骨近端不受約束，給予脛骨134 N前向力進(jìn)行模型驗(yàn)證[16]。采用脛骨134 N前向力是考慮到ACL主要有限制脛骨前移的功能，在實(shí)驗(yàn)中給予脛骨前向力，測(cè)量脛骨前移最有代表性[17-19]。模型在這一載荷條件下測(cè)得脛骨前移4.96 mm。這一數(shù)值與劉曉敏等[17]和鮑春雨等[20]在其研究中的結(jié)果較為接近，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂锌煽啃浴?/p>

接觸和邊界條件設(shè)定：各條韌帶與相連的骨骼定義為摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.1;半月板、軟骨與骨骼連接的部分定義為綁定接觸;半月板與軟骨定義為無(wú)摩擦接觸，正常膝關(guān)節(jié)總共定義了19個(gè)接觸，ACL斷裂的情況下總共定義了17個(gè)接觸。股骨不受約束，脛骨約束3個(gè)平移自由度和屈曲自由度[8]，使用Ansys中的Workbench模塊進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

3）載荷條件 膝關(guān)節(jié)屈曲0°，30°，60°，90°狀態(tài)進(jìn)行以下兩種情況分析：①股骨髁連線的中點(diǎn)受到后向134 N載荷時(shí)，分析股骨的前后、遠(yuǎn)近和內(nèi)外位移，以及膝關(guān)節(jié)各韌帶的受力情況，模擬醫(yī)學(xué)臨床多見(jiàn)的受力情況[21-22]，膝關(guān)節(jié)各方向的運(yùn)動(dòng)如圖3所示;②對(duì)股骨施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的內(nèi)旋力矩，模擬醫(yī)學(xué)軸移實(shí)驗(yàn)。上述兩種外力作用下，分別分析膝關(guān)節(jié)正常情況和ACL斷裂情況下膝關(guān)節(jié)處其他韌帶的受力情況。

2 膝關(guān)節(jié)有限元受力分析結(jié)果

在股骨髁連線的中點(diǎn)受后向134N載荷作用下，ACL完全斷裂模型的股骨比正常模型股骨的前后位移、遠(yuǎn)近位移和內(nèi)外位移明顯增大。其中屈曲30°時(shí)，前后位移差和遠(yuǎn)近位移差值最大，分別為4.07 mm和0.27 mm;內(nèi)外位移在屈曲0°時(shí)差值最大，為0.97 mm。詳細(xì)位移情況如表2所示。

在股骨髁連線的中點(diǎn)受后向134 N載荷作用下和10 N·m的外翻力矩、5 N·m的內(nèi)旋聯(lián)合力矩的作用下，分析正常膝關(guān)節(jié)模型及ACL斷裂模型在不同外力、不同屈曲角度受力情況，受聯(lián)合力矩時(shí)的MCL影響最大，峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)如表3所示，受力云圖如圖4所示。膝關(guān)節(jié)正常和ACL斷裂兩種情況下韌帶應(yīng)力分布折線如圖5所示。

圖5能直觀反映出ACL斷裂會(huì)引起膝關(guān)節(jié)MCL，LCL和PCL應(yīng)力的顯著增大。在股骨髁連線的中點(diǎn)施加后向134 N載荷時(shí)，屈曲0°，30°和60°時(shí)MCL應(yīng)力增量最大，屈曲90°時(shí)PCL應(yīng)力增量最大。在施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的內(nèi)旋力矩聯(lián)合作用下，屈曲0°，30°，60°和90°時(shí)MCL受影響最大，應(yīng)力增量最大。0°屈曲時(shí)MCL應(yīng)力達(dá)到23.25 MPa，比正常值高出8.38 MPa。

3 個(gè)性化支具數(shù)字化設(shè)計(jì)

3.1 個(gè)性化支具的設(shè)計(jì)過(guò)程

為了設(shè)計(jì)與患者高貼合度的個(gè)性化康復(fù)支具，將腿部STL模型導(dǎo)入Geomagic中，選擇支具外部輪廓，通過(guò)偏移加厚命令由曲面生成特定厚度的支具模型，然后利用精確曲面工具中探測(cè)輪廓線、編輯輪廓線、構(gòu)造曲面片、構(gòu)造格柵、擬合曲面導(dǎo)出STEP文件，如圖6所示。

在支具可靠性滿足醫(yī)學(xué)要求的條件下，需要降低支具的重量并增加透氣性。故將該STEP文件導(dǎo)入Inspire中，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的支具使用60°硅橡膠材料 （E=1 300 MPa，ν=0.48）的力學(xué)性能模擬，整體作為設(shè)計(jì)空間;載荷約束：根據(jù)韌帶受力情況施加集中力、固定端、形狀控制;設(shè)置質(zhì)量目標(biāo)為30%進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化;用幾何工具欄中PolyNURBS進(jìn)行手動(dòng)擬合重構(gòu)，如圖7所示。

3.2 個(gè)性化支具的虛擬穿戴受力分析

在患者膝關(guān)節(jié)屈曲0°且ACL斷裂的情況下，使支具模型與患者膝關(guān)節(jié)的皮膚接觸。綜合考慮人體承受疼痛閾值[22]，患者可承受的最大束緊力為70 N，故本實(shí)驗(yàn)施加50 N的束緊力，將接觸力通過(guò)皮膚、肌肉傳遞到膝關(guān)節(jié)骨骼韌帶上，同時(shí)施加股骨后向134 N的推力。利用Ansys Workbench計(jì)算患者腿部的受力位移情況。結(jié)果表明股骨前后位移為4.22 mm，遠(yuǎn)近位移0.30 mm，內(nèi)外位移為1.29 mm，與膝關(guān)節(jié)股骨正常情況的位移相似。LCL峰值應(yīng)力為8.13 MPa，MCL峰值應(yīng)力為7.97 MPa，PCL峰值應(yīng)力為2.45 MPa，如圖8所示，較未穿戴支具前的韌帶應(yīng)力有明顯的改善。

在相同束緊力且膝關(guān)節(jié)屈曲0°的情況下，對(duì)膝關(guān)節(jié)同時(shí)施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的內(nèi)旋力矩聯(lián)合作用，經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果得知，該情況下膝關(guān)節(jié)LCL峰值應(yīng)力為1.70 MPa，MCL峰值應(yīng)力16.67 MPa，PCL峰值應(yīng)力為2.57 MPa，如圖9所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)正常膝關(guān)節(jié)有限元模型受到股骨后向134 N載荷與受到10 N·m外翻力矩和5 N·m內(nèi)旋力矩聯(lián)合力矩的計(jì)算結(jié)果與何川等[8]研究數(shù)值基本一致。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的工作在于模擬了膝關(guān)節(jié)ACL斷裂的受力和位移情況，給出定量的分析數(shù)據(jù)。ACL對(duì)限制脛骨前移有著重要作用，ACL的斷裂會(huì)造成膝關(guān)節(jié)的失穩(wěn)，在ACL斷裂的情況下進(jìn)行活動(dòng)，還會(huì)對(duì)其他周圍韌帶尤其是MCL造成較為嚴(yán)重的間接性損傷。本實(shí)驗(yàn)有助于了解ACL的斷裂對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力變化的影響，對(duì)個(gè)性化支具的設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化提供了思路。最后采用虛擬穿戴支具的方式，利用Ansys Workbench對(duì)該支具和膝關(guān)節(jié)組織進(jìn)行了受力分析。分析結(jié)果表明，在ACL斷裂的情況下佩戴此支具，可以明顯減少其他各韌帶的應(yīng)力，對(duì)膝關(guān)節(jié)康復(fù)存在著積極作用。

本研究目前尚存在一些不足之處：1）實(shí)驗(yàn)中所加載荷是基于膝關(guān)節(jié)屈曲的靜止位置，膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化沒(méi)有體現(xiàn);2）本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有考慮膝關(guān)節(jié)其他組織如股四頭肌、半腱肌等肌肉結(jié)構(gòu)對(duì)膝關(guān)節(jié)受力的影響;3）本實(shí)驗(yàn)只使用計(jì)算機(jī)模擬人體穿戴支具情況的受力分析，目前尚沒(méi)有制作出實(shí)物進(jìn)行體外力學(xué)測(cè)試，后續(xù)研究將利用3D打印技術(shù)間接制作硅膠支具進(jìn)行體外力學(xué)測(cè)試。

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