電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎患者上下樓梯的三維有限元分析

許海飛 趙改平* 楊加靜 王薌斌 許世雄

1(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

2(福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福州 350122)

3(復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，上海 200433)

引言

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis， KOA)是最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)退行性疾病，其特征為關(guān)節(jié)軟骨組織發(fā)生進(jìn)行性退變、關(guān)節(jié)邊緣骨贅形成和軟骨下骨質(zhì)反應(yīng)性改變，主要表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)疼痛、無(wú)力及由此引起的行走、起立和上下樓梯困難，嚴(yán)重影響患者的日常生活[1]。上下樓梯是一項(xiàng)生活中的常見(jiàn)活動(dòng)，下肢各關(guān)節(jié)較平地步行時(shí)需要較大的活動(dòng)度及肌力矩來(lái)維持運(yùn)動(dòng)[2]；在上下樓梯活動(dòng)中，膝骨性關(guān)節(jié)炎患者表現(xiàn)出更大的困難[3]；據(jù)統(tǒng)計(jì)，16.7%的膝骨性關(guān)節(jié)炎患者有活動(dòng)障礙[4]。膝骨性關(guān)節(jié)炎患者在平地行走或完成如登梯等較復(fù)雜的生理活動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的伸屈關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)會(huì)使膝關(guān)節(jié)受力不均勻，應(yīng)力分布和關(guān)節(jié)腔空間變化均會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)骨組織或軟骨組織的損傷，致使病情加重。膝骨性關(guān)節(jié)炎臨床治療比較困難，目前主要的治療方法包括手術(shù)、藥物和中醫(yī)(電針、推拿、拔罐、艾灸)等[5-6]。其中，電針治療是膝骨性關(guān)節(jié)炎的有效療法之一，可降低疼痛、吸收炎癥和改善局部血液循環(huán)等。電針治療是在單純針刺穴位的基礎(chǔ)上，通以人體生物電的微量連續(xù)電流波，以刺激穴位，產(chǎn)生肌收縮，改變局部血液循環(huán)，利于吸收滲透液，降低膝骨性關(guān)節(jié)炎患者炎癥的發(fā)生，減小軟骨的破壞程度[7-8]，國(guó)內(nèi)單純電針治療的有效率高達(dá)73.3%。裘敏蕾等[9]于2006年單獨(dú)使用電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎，并與藥物進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明電針治療的療效要明顯優(yōu)于藥物組的療效，且不良反應(yīng)發(fā)生率少。田雯等[10]于2015年采用麥克馬斯特骨關(guān)節(jié)炎調(diào)查量表及視覺(jué)模擬評(píng)分法，對(duì)電針治療膝骨關(guān)節(jié)炎的病程進(jìn)行分析評(píng)估，研究表明患者經(jīng)過(guò)電針治療后，膝關(guān)節(jié)的各項(xiàng)評(píng)分均較治療前有明顯改善，且電針療法對(duì)病程各個(gè)階段都有明顯的療效。王薌斌等[11]于2017年通過(guò)膝關(guān)節(jié)功能狀況及登梯步態(tài)的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電針能顯著提高 KOA 患者的上下梯速度、頻率，而電針對(duì) KOA 患者的癥狀及功能的改善效應(yīng)與上下梯步寬及步行效率的提高有關(guān)。除可單獨(dú)使用治療膝骨性關(guān)節(jié)炎外，電針還可以與其他治療方法搭配使用，如中藥熏洗、推拿、隔姜灸、刺絡(luò)拔罐以及藥物治療等方法，療效依然顯著[12]。目前大量的臨床研究證明，電針是治療膝骨性關(guān)節(jié)炎的重要手段，其方法簡(jiǎn)單、無(wú)副作用、療效明確，患者的耐受性良好，便于長(zhǎng)期使用，很符合膝骨性關(guān)節(jié)炎的病情特點(diǎn)，是目前治療膝骨性關(guān)節(jié)炎的重要手段之一。

目前對(duì)膝骨性關(guān)節(jié)炎的治療方式報(bào)道較多，對(duì)其療效評(píng)價(jià)最常用的方法是臨床評(píng)估和生物力學(xué)評(píng)價(jià)。臨床評(píng)估屬于定性分析，是指術(shù)后通過(guò)對(duì)患者的患處局部疼痛值、復(fù)發(fā)率等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，看是否能達(dá)到治療的效果，這種方法可以在一定程度上為后續(xù)治療方法的改進(jìn)提供參考依據(jù)；而生物力學(xué)研究為定量分析，膝骨性關(guān)節(jié)炎的生物力學(xué)研究主要包括有離體實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和有限元分析三種[13]。但動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在關(guān)節(jié)活動(dòng)度和修復(fù)能力等方面與人體存在差異，離體實(shí)驗(yàn)樣本少、價(jià)格貴，實(shí)驗(yàn)方法復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)驗(yàn)條件影響大。有限元分析方法則不僅不受實(shí)驗(yàn)條件的影響，能形象逼真地建立膝關(guān)節(jié)三維骨骼、軟骨、韌帶等組織，而且也能模擬不同治療方式下的膝骨性關(guān)節(jié)炎模型，并分析損傷機(jī)制、治療效果和治療前后的生物力學(xué)特性的變化。有限元方法可以獲得實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法得到的一些相關(guān)數(shù)據(jù)，而且具有重復(fù)計(jì)算、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本等優(yōu)點(diǎn)，因此有限元分析有著很強(qiáng)的開(kāi)放性和后續(xù)研究空間[14]。有限元方法的發(fā)展為膝骨性關(guān)節(jié)炎內(nèi)部生物力學(xué)特性的研究提供了有效的手段，能直觀地評(píng)價(jià)治療效果和分析影響因素，目前探討電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎生物力學(xué)特性的有限元分析已成為焦點(diǎn)。

為探討電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎的軟組織生物力學(xué)作用機(jī)制，預(yù)防骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，筆者以膝骨性關(guān)節(jié)炎患者上下樓梯運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，選取此時(shí)身體所受支反力最顯著的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，分別對(duì)應(yīng)下樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲15°和上樓梯屈曲50°[15-16]，利用三維有限元方法，對(duì)電針治療上下樓梯運(yùn)動(dòng)中膝骨性關(guān)節(jié)炎生物力學(xué)的改變進(jìn)行仿真研究，分析膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)行為的變化與電針治療療效的相關(guān)性。

1 材料和方法

1.1 有限元模型建立

選取一名成年男性志愿者的膝關(guān)節(jié)CT和MRI斷層掃描圖像，經(jīng)其同意將掃描圖像用于此次研究，以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 10.0(比利時(shí)Materialise公司)，通過(guò)逐層分割及修補(bǔ)對(duì)二維圖像進(jìn)行三維重建，將由CT和MRI得到的重建數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入Mimics中進(jìn)行配準(zhǔn)，建立完整的初始直立位膝關(guān)節(jié)模型，包括骨骼和軟組織結(jié)構(gòu)，如股骨、脛骨、腓骨、半月板、股骨軟骨、脛骨軟骨等。依據(jù)膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，利用逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0(美國(guó)Geomagic公司)，對(duì)模型各部分復(fù)雜曲面進(jìn)行擬合處理，并導(dǎo)入Hypermesh 12.0(美國(guó)Altain公司)有限元前處理軟件；根據(jù)膝關(guān)節(jié)CT圖像數(shù)據(jù)，采用上述相同的方法重建屈膝15°和50°的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，并用四面體單元分別對(duì)膝關(guān)節(jié)模型的各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料賦值(見(jiàn)表1)，關(guān)節(jié)軟骨與半月板之間引入接觸關(guān)系，膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)及軟骨材料設(shè)為各向同性；為進(jìn)一步建立膝關(guān)節(jié)模型的前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶等組織，采用只承受張力載荷且無(wú)壓應(yīng)力特征的Truss單元模擬，前交叉韌帶、后交叉韌帶、外側(cè)副韌帶、內(nèi)側(cè)副韌帶的截面積分別為42、60、18和25 mm2[17]。圖1所示為膝關(guān)節(jié)屈曲15°和50°的三維有限元模型。

表1 膝關(guān)節(jié)有限元模型材料屬性Tab.1 Material properties of the knee joint finite element model

圖1 膝關(guān)節(jié)屈曲15°、50°的三維有限元模型。(a)屈膝15°前視圖；(b)屈膝15°側(cè)位視圖；(c)屈膝50°前視圖；(d)屈膝50°側(cè)位視圖Fig.1 Three-dimensional finite element models of knee flexion at 15° and 50° (a) Front view of 15° flexion；(b)Lateral view of 15° flexion；(c)Front view of flexion 50°；(d)Lateral view of flexion 50°

1.2 患者力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量

由福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院選取36名年齡在40～80歲之間的早期膝骨性關(guān)節(jié)炎患者作為研究對(duì)象(見(jiàn)表2)，要求雙側(cè)膝關(guān)節(jié)均有病變，能夠自行平地行走，近2個(gè)月內(nèi)可以接受電針治療，但是排除患有心臟病等重大疾病(如中風(fēng)、骨折等)影響步態(tài)的疾病患者，同時(shí)保證每個(gè)研究對(duì)象都自愿且同意發(fā)表研究結(jié)果，該研究經(jīng)過(guò)福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。將納入36例患者隨機(jī)分為觀察組和對(duì)照組，觀察組采用電針經(jīng)穴治療，對(duì)照組采用非經(jīng)非穴淺刺的方法，最大程度降低針刺可能帶來(lái)的效應(yīng)影響。兩組患者性別、年齡、病程、BMI、K/L病情輕重程度分級(jí)法比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性。上下樓梯過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析模型如圖2所示，上梯過(guò)程以右足著地(a)→右足離地(b)→右足再次著地(c)為一個(gè)步態(tài)周期，下梯過(guò)程以右足著地(d)→右足離地(e)→右足再次著地(f)為一個(gè)步態(tài)周期，由福建中醫(yī)藥大學(xué)人體三維步態(tài)實(shí)驗(yàn)室提供。

圖2 上下樓梯過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析模型。(a)上樓梯時(shí)右足著地；(b)上樓梯時(shí)右足離地；(c)上樓梯時(shí)右足再次著地；(d)下樓梯時(shí)右足著地；(e)下樓梯時(shí)右足離地；(f)下樓梯時(shí)右足再次著地Fig.2 Dynamic analysis model of the process of ascent and descent stair. (a) The right foot landing on the ground during ascent stairs; (b)The right foot off the ground during ascent stairs; (c)The right foot landing again during ascent stairs. (d) The right foot landing on the ground during descent stairs; (e) The right foot off the ground during descent stairs; (f) The right foot landing again during descent stairs

表2 納入研究KOA患者基本資料Tab.2 Basic information of KOA patients included in the study

根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)[22]，取穴以膝周穴位為主，包括血海、足三里、梁丘、陰陽(yáng)陵泉、內(nèi)外膝眼，此穴位的選擇符合腧穴的近治作用(即主治所在)，同時(shí)也符合KOA局部病變的病理特點(diǎn)。針身深入關(guān)節(jié)囊中，能直達(dá)病處。電極分為兩組：一組為血海與內(nèi)膝眼，一組為梁秋與外膝眼。然后，將電機(jī)接G6805電針儀，采用頻率為2 Hz的連續(xù)方波，兩組同時(shí)進(jìn)行，治療時(shí)間持續(xù)30 min，每天治療1次，治療持續(xù)3周、共11次，治療前后均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院實(shí)驗(yàn)分析提供，實(shí)驗(yàn)選取上下樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí)身體所受支反力最顯著的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，分別對(duì)應(yīng)的是下樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲15°和上樓梯屈曲50°[23]，相應(yīng)的力學(xué)數(shù)據(jù)由地面測(cè)力臺(tái)測(cè)得，是地面對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的反作用力。選取36名患者治療前后膝關(guān)節(jié)所受載荷的平均值，其中下樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲15°時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得膝關(guān)節(jié)電針治療前后承受的反作用力分別為1 884和1 680 N，屈曲力矩分別為48和51 N·m；上樓梯膝關(guān)節(jié)屈膝50°時(shí)，測(cè)得電針治療前后承受反作用力分別為1 716和1 590 N，屈曲力矩分別為59和62 N·m。據(jù)文獻(xiàn)記載，模擬下樓梯15°正常模型的支反力為156%BW，屈曲力矩為66 N·m；模擬上樓梯50°正常模型的支反力為123%BW，屈曲力矩為66 N·m[24-26]。

1.3 負(fù)載與邊界條件

上下樓梯是持續(xù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，施加載荷時(shí)需考慮人體重力、股骨相對(duì)脛骨的后移脛向力、膝關(guān)節(jié)慣性力和地面支反力等的合力作用，因此在下樓梯15°和上樓梯50°模型的股骨髁中心點(diǎn)上分別施加相應(yīng)的載荷，以模擬正常組模型、KOA組模型和KOA+電針組模型。固定膝關(guān)節(jié)脛骨及腓骨下表面的所有節(jié)點(diǎn)，限制其6個(gè)方向的自由度，膝關(guān)節(jié)模型各組件之間網(wǎng)格沒(méi)有穿透情況，切應(yīng)力方向無(wú)摩擦，并設(shè)置有如下接觸對(duì)：外半月板-股骨軟骨、外半月板-脛骨軟骨、內(nèi)半月板-股骨軟骨、內(nèi)半月板-脛骨軟骨和股骨軟骨-脛骨軟骨接觸對(duì)，股骨軟骨和脛骨軟骨外側(cè)和內(nèi)側(cè)之間表面相互作用確定為小滑動(dòng)。定義這些表面之間相互作用的接觸關(guān)系是“硬接觸”， 摩擦系數(shù)為0.001，使用Abaqus 6.13(美國(guó)達(dá)索SIMULIA公司)軟件，對(duì)各模型進(jìn)行計(jì)算分析，探究各關(guān)節(jié)軟骨及半月板的應(yīng)力變化。

1.4 模型的應(yīng)力分析

本研究選取等效應(yīng)力值Von Mises stress(VMS)作為衡量各組膝關(guān)節(jié)半月板、髕韌帶、關(guān)節(jié)軟骨各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平的主要指標(biāo)。VMS是根據(jù)第四強(qiáng)度理論定義的一種綜合應(yīng)力，反映了材料內(nèi)部各點(diǎn)的平均應(yīng)力水平，是有限元分析中最客觀的指標(biāo)之一[27]。米塞斯屈服準(zhǔn)則[28](Von Mises yield criterion)是指：在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，該點(diǎn)就開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，其物理意義為：在一定的變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性位能(又稱“彈性形變能”)達(dá)到某一常數(shù)時(shí)，材料就屈服，即在本研究中節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力值越大，則越早進(jìn)入塑性狀態(tài)，越容易受到破壞。

2 結(jié)果

2.1 下樓梯屈膝15°時(shí)電針治療前后結(jié)果分析

首先對(duì)直立位模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示，其中內(nèi)外側(cè)半月板的接觸應(yīng)力值分別為2.96和2.46 MPa，股骨軟骨的接觸應(yīng)力為2.40 MPa，內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的接觸應(yīng)力分別為1.88和2.57 MPa，該結(jié)果與 Bendjaballah[29]、Donahue[30]、Pena[31]、Zhu[32]、Shriram[33]等的研究結(jié)果相近，驗(yàn)證了模型的有效性。下樓梯屈膝15°電針治療前后各關(guān)節(jié)軟骨處最大應(yīng)力如圖4所示，研究結(jié)果表明：KOA組的內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨所受應(yīng)力分別為6.95、4.55、2.74、2.78和2.12 MPa，均高于正常組和電針治療組的值，電針治療后各關(guān)節(jié)軟骨所受應(yīng)力均有所降低，降幅分別為7.76%、5.05%、7.29%、8.63%和15.67%，證明電針療法對(duì)膝骨性關(guān)節(jié)炎有一定的效果。

圖3 直立位模型的驗(yàn)證Fig.3 Verification of the upright position model

圖4 下樓梯屈曲15°電針治療前后關(guān)節(jié)軟骨最大應(yīng)力Fig.4 Maximum stress of articular cartilage before and after electroacupuncture treatment at 15° flexion

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)股骨和脛骨之間會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊載荷，人體在上下樓梯時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨起到重要的緩沖作用，使關(guān)節(jié)中力的傳遞變得均勻，又提供給關(guān)節(jié)面良好的潤(rùn)滑，降低了關(guān)節(jié)的磨損和骨折的發(fā)生率。圖5所示為膝關(guān)節(jié)屈曲15°時(shí)正常組、KOA組和KOA+電針治療組的各關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力分布云圖。屈膝15°狀態(tài)下各軟骨組織應(yīng)力分布的研究表明：KOA組的內(nèi)外側(cè)半月板較正常組有顯著的應(yīng)力集中，且分布范圍更廣泛，KOA+電針治療組的內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力集中明顯弱于KOA組，電針治療后，內(nèi)外側(cè)半月板最大應(yīng)力較治療前分別減小0.543和0.236 MPa，且最大應(yīng)力值的范圍向半月板的內(nèi)側(cè)縮??；股骨軟骨最大應(yīng)力值出現(xiàn)在KOA組，電針治療使股骨軟骨的最大應(yīng)力值減小0.194 MPa，其范圍向股骨軟骨與半月板和脛骨軟骨的接觸中心處明顯縮小，使力的傳遞相對(duì)均勻；脛骨軟骨的最大應(yīng)力值也出現(xiàn)在KOA組，電針治療后，內(nèi)外側(cè)最大應(yīng)力值分別減小0.239和0.327 MPa，其范圍向外側(cè)邊緣縮小，且更趨近于正常脛骨軟骨，進(jìn)一步減輕了脛骨軟骨的負(fù)擔(dān)?？傮w來(lái)說(shuō)，KOA病變下關(guān)節(jié)軟骨的最大應(yīng)力更為集中且分布范圍廣，這使得關(guān)節(jié)面的潤(rùn)滑程度和力傳導(dǎo)的均勻性都降低，膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和靈活性均受到影響；而電針治療后，各關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力峰值均下降，且更接近于正常狀態(tài)，使膝關(guān)節(jié)的功能得到進(jìn)一步改善和提高。

圖5 下樓梯屈膝15°各關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力分布(每行左為正常對(duì)照，中為電針刺激前，右為電針刺激后)。(a)內(nèi)半月板；(b)外半月板；(c)股骨軟骨；(d)內(nèi)側(cè)脛骨軟骨(e)外側(cè)脛骨軟骨Fig.5 The stress distribution of articular cartilage at 15° during descent stairs (The left is the normal control, the middle is before electroacupuncture treatment, and the right is after electroacupuncture treatment). (a) Medial meniscus; (b) Lateral meniscus; (c) Femoral cartilage; (d) Medial tibial cartilage； (e) Lateral tibial cartilage

2.2 上樓梯屈膝50°時(shí)電針治療前后結(jié)果分析

上樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲50°時(shí)，正常組和電針治療前后各關(guān)節(jié)軟骨的最大應(yīng)力值如圖6所示。研究結(jié)果表明：KOA組的內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨所受應(yīng)力最大，分別達(dá)到4.27、5.94、3.03、1.88和2.12 MPa，電針治療后各關(guān)節(jié)軟骨所受應(yīng)力均降低，降幅分別為5.85%、5.21%、7.56%、6.37%和5.71%，但KOA組和KOA+電針組的關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力峰值均大于正常組的值。上樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲50°時(shí)三組實(shí)驗(yàn)中，各關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力云圖分布如圖7所示，結(jié)果表明：KOA組內(nèi)外側(cè)半月板所受的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在半月板中部，KOA組的應(yīng)力最大且分布范圍最廣。電針治療后，內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力峰值分別減小0.253和0.31 MPa，且最大應(yīng)力分布范圍向半月板的內(nèi)側(cè)縮小；股骨軟骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在KOA組，電針治療使KOA組股骨軟骨的最大應(yīng)力值減小0.227 MPa，與脛骨軟骨相對(duì)應(yīng)位置處的股骨軟骨出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中，且KOA組和KOA+電針組的最大應(yīng)力均大于正常組的最大應(yīng)力；內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的應(yīng)力峰值也出現(xiàn)在KOA組，應(yīng)力集中區(qū)域分布在內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的中間偏后位置，在上樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲50°時(shí)，股骨產(chǎn)生向后位移，膝骨性關(guān)節(jié)炎增加了患者膝關(guān)節(jié)的承載負(fù)擔(dān)。電針治療后，內(nèi)外側(cè)最大應(yīng)力值分別減小0.112和0.122 MPa，且應(yīng)力分布范圍進(jìn)一步縮小。總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)電針治療，患病膝關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力峰值趨向于正常狀態(tài)，膝關(guān)節(jié)的功能狀況有所改善，患者的登梯活動(dòng)能力得到提高。

圖6 上樓梯屈曲50°電針治療前后關(guān)節(jié)軟骨的最大應(yīng)力Fig.6 Maximum stress of articular cartilage before and after electroacupuncture treatment at 50° flexion

圖7 上樓梯屈膝50°各關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力分布(每行左為正常對(duì)照，中為電針刺激前，右為電針刺激后)。(a)內(nèi)半月板；(b)外半月板；(c)股骨軟骨；(d)內(nèi)側(cè)脛骨軟骨；(e)外側(cè)脛骨軟骨Fig.7 The stress distribution of articular cartilage at 50° during ascent stairs (The left is the normal control, the middle is before electroacupuncture treatment, and the right is after electroacupuncture treatment). (a) Medial meniscus; (b) Lateral meniscus; (c) Femoral cartilage; (d) Medial tibial cartilage; (e) Lateral tibial cartilage

3 討論

本研究基于膝關(guān)節(jié)CT和MRI圖像數(shù)據(jù)，建立了人體膝關(guān)節(jié)上下樓梯屈曲15°和50°時(shí)的三維模型，通過(guò)人體上下樓梯運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲取膝關(guān)節(jié)承受的相應(yīng)載荷，模擬兩種屈膝角度下健康狀態(tài)、電針治療前后內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的應(yīng)力分布情況，分析電針治療對(duì)KOA患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)部各軟骨組織應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明：電針治療前，股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨和內(nèi)外側(cè)半月板的最大應(yīng)力值較正常時(shí)增大了0.32～1.05 MPa；電針治療后，膝關(guān)節(jié)內(nèi)部軟骨內(nèi)外側(cè)應(yīng)力值均降低，軟骨的損傷得到減緩，內(nèi)外側(cè)半月板的承載能力在一定程度上恢復(fù)，接近于正常膝關(guān)節(jié)的負(fù)重。用電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎患者，其上下樓梯運(yùn)動(dòng)膝關(guān)節(jié)屈曲15°和50°的結(jié)果分析表明：各組力學(xué)軸線相應(yīng)地向內(nèi)側(cè)偏移，關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨及半月板比外側(cè)受到的負(fù)荷大，應(yīng)力的集中致使內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)軟骨面磨損嚴(yán)重，這與臨床上內(nèi)側(cè)型膝骨性關(guān)節(jié)炎患者多于外側(cè)型患者的現(xiàn)象相符合。電針療法可恢復(fù)軟骨吸收關(guān)節(jié)應(yīng)力的能力，減緩半月板不正常退化的可能，有效改善膝骨性關(guān)節(jié)炎患者的應(yīng)力集中問(wèn)題，為臨床治療數(shù)據(jù)的分析和評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

三維有限元分析發(fā)現(xiàn)，電針治療后KOA患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)半月板應(yīng)力降低，同時(shí)登梯運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)半月板應(yīng)力比值從原來(lái)的1.40降低至1.27，下梯運(yùn)動(dòng)中降低至1.24。這說(shuō)明，電針治療KOA可以緩解關(guān)節(jié)疼痛，同時(shí)也降低了膝關(guān)節(jié)內(nèi)部的應(yīng)力峰值，可能改善了內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力分布情況，從而緩解了KOA的發(fā)展，這與臨床對(duì)電針治療效果的肯定[34]相吻合，從理論上證明了電針治療KOA的有效性。Jiang等[35]的研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力峰值均大于正常膝關(guān)節(jié)的值，同時(shí)內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力比值也大于正常膝關(guān)節(jié)的值，說(shuō)明應(yīng)力較為集中的內(nèi)側(cè)半月板承受負(fù)重更大，也更容易受到磨損，與臨床情況相符。本次研究中，在對(duì)電針治療前后進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，所選取的特征均為其在整個(gè)步態(tài)周期中地面反作用力最大的時(shí)點(diǎn)，在對(duì)膝關(guān)節(jié)矢狀面角度進(jìn)行模擬后，再加載地面反作用力，通過(guò)有限元分析，模擬此種工況下膝關(guān)節(jié)內(nèi)部各軟骨組織的應(yīng)力改變情況，Reeves等[36]指出，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩可以作為膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室壓力的一種可替代指標(biāo)，從而間接反映膝關(guān)節(jié)間室內(nèi)的生物力學(xué)環(huán)境。因此，人在步行中膝內(nèi)側(cè)間室長(zhǎng)期存在較大的應(yīng)力，導(dǎo)致膝骨性關(guān)節(jié)炎為中又以內(nèi)側(cè)間室膝骨性關(guān)節(jié)炎常見(jiàn)[37]，這與本文內(nèi)側(cè)半月板壓應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力相一致。同時(shí)，Tung等[38]發(fā)現(xiàn)，KOA患者呈現(xiàn)膝伸肌力矩削弱，是由于外傷等原因?qū)е孪轮y、膝、踩穩(wěn)定性的異常改變，女性患者長(zhǎng)期穿高跟鞋導(dǎo)致下肢力線改變，肥胖等原因?qū)е玛P(guān)節(jié)負(fù)重增加或應(yīng)力增加，這些生物力學(xué)因素的變化也可能是KOA發(fā)生的重要原因[36], 將是未來(lái)KOA相關(guān)預(yù)防機(jī)制研究的方向。

本研究的不足之處在于，建立的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型其韌帶的材料賦值以線性材料代替，使得韌帶的材質(zhì)特性與真實(shí)情況存在一定差距，后續(xù)研究可根據(jù)屈曲15°和50°的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，考慮使用非線性材料對(duì)韌帶進(jìn)行賦值。同時(shí)，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受肌肉影響較大，登梯運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)所承受的沖擊載荷不同，肌肉產(chǎn)生的載荷也各不相同，而且沖擊力的加速度會(huì)使肌肉的力量增加，肌肉在膝關(guān)節(jié)屈伸模型中具有十分重要的作用。因此，在膝關(guān)節(jié)三維有限元模型中加入肌肉，可以提高模型的計(jì)算精確度，使計(jì)算結(jié)果分析更加符合實(shí)際情況，但前提條件是能夠測(cè)試出相關(guān)肌力。此外，本研究采用非經(jīng)非穴淺刺法作為對(duì)照組，一定程度上降低了針刺對(duì)膝骨性關(guān)節(jié)炎的作用效應(yīng)，但仍存在影響電針?lè)▽?shí)際療效對(duì)比的可能；在膝關(guān)節(jié)上下樓梯運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受力情況復(fù)雜多變，不僅受到重力作用，還有髕腱拉力、膝關(guān)節(jié)慣性力、地面支反力、脛骨平臺(tái)上的關(guān)節(jié)力等的作用[39]。在后續(xù)的研究中，需要考慮多種載荷的作用，研究膝關(guān)節(jié)模型的生物力學(xué)特性，從而獲得更加全面的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，更好地為電針治療療效的驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

電針治療膝骨性關(guān)節(jié)炎，能有效改善膝關(guān)節(jié)內(nèi)部軟骨的壓應(yīng)力，使關(guān)節(jié)內(nèi)力平衡得到恢復(fù)，延緩關(guān)節(jié)軟骨退變，促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)，電針治療下膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的研究，可為膝關(guān)節(jié)的臨床治療和評(píng)價(jià)提供初步的理論分析依據(jù)。在本研究中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于治療前，電針療法的施治對(duì)關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響較大，提示臨床醫(yī)師可從膝周穴位著手，輔以手法推拿、針灸治療等中醫(yī)療法，或可減輕關(guān)節(jié)內(nèi)的高壓應(yīng)力，延緩軟骨退變，改善臨床癥狀。