有限元分析法在膝交叉韌帶重建術(shù)中的應(yīng)用

任天皓 丁育健 郭蘇童 馮德宏

前交叉韌帶(ACL)及后交叉韌帶(PCL)是維持人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)定的重要解剖結(jié)構(gòu),其損傷及斷裂在臨床上非常普遍。交叉韌帶斷裂嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的正常生物力學(xué)[1]。ACL重建術(shù)及PCL重建術(shù)是目前臨床上治療交叉韌帶損傷的金標(biāo)準(zhǔn)[2]。有限元分析方法是用較簡(jiǎn)略的問題替代復(fù)雜的問題,然后進(jìn)行求解得出精確的結(jié)論的一種方法。Brekelmans等[3]首次將有限元分析法應(yīng)用于矯形外科學(xué)的生物力學(xué)研究,探討股骨內(nèi)部應(yīng)力分布。目前,有限元分析方法在骨科中的應(yīng)用不斷發(fā)展,在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、關(guān)節(jié)與矯形醫(yī)學(xué)等專業(yè)發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)。

一、人體精細(xì)膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立

目前,眾多的學(xué)者已運(yùn)用有限元技術(shù),通過Mimics、3D analyze、Solidworks、Geomagic Studio等軟件,構(gòu)建膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型,奠定了研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的基礎(chǔ)。王傲寒等[4]建立的膝關(guān)節(jié)有限元模型證明了在人體正常直立位時(shí)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板所受到的剪切應(yīng)力大于外側(cè)半月板。張家豪等[5]選取了10例膝關(guān)節(jié)標(biāo)本,僅保留了膝關(guān)節(jié)軟組織中的半月板及ACL,建立的三維有限元模型還原了正常人生理狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)ACL的生物應(yīng)力,其研究表明,ACL的脛骨止點(diǎn)為一狹長(zhǎng)的弧形,前后徑為(13.8±2.0)mm,體部左右徑為(5.3±0.6)mm,前緣左右徑為(11.5±1.2)mm。有限元分析有助于進(jìn)一步細(xì)化研究膝關(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu),對(duì)膝關(guān)節(jié)不同載荷下的生物力學(xué)分析具有重要意義。大部分文獻(xiàn)僅研究股骨、脛骨與半月板接觸面的生物力學(xué),對(duì)于膝關(guān)節(jié)內(nèi)的前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶的生物力學(xué)的研究較少,是因?yàn)镃T成像數(shù)據(jù)雖然能精確構(gòu)建骨結(jié)構(gòu)模型,但對(duì)于軟骨、韌帶、半月板等軟組織,通過傳統(tǒng)的CT影像數(shù)據(jù)甚至是高分辨率的多排螺旋CT影像數(shù)據(jù)都無法清晰地重建其精確的模型[6]。相比之下,MRI成像數(shù)據(jù)可以單獨(dú)用于準(zhǔn)確構(gòu)建包括韌帶在內(nèi)的各種軟組織的解剖結(jié)構(gòu)模型,而不能用于準(zhǔn)確模擬骨結(jié)構(gòu)[7]。因此,單獨(dú)使用CT或MRI成像會(huì)顯著降低這些模型的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)力學(xué)分析不準(zhǔn)確。Ren等[8]將一位志愿者的膝關(guān)節(jié)CT與MRI數(shù)據(jù)結(jié)合起來,構(gòu)建出了包括前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶在內(nèi)的完整膝關(guān)節(jié)有限元模型,其構(gòu)建的模型能模擬膝關(guān)節(jié)前后平移、外翻-內(nèi)翻旋轉(zhuǎn)和膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋轉(zhuǎn),觀察脛骨移位或外翻角度,甚至能模擬完整內(nèi)側(cè)副韌帶淺層和深層以及整體缺陷的外翻應(yīng)力的大小和分布。

二、膝關(guān)節(jié)ACL損傷的有限元分析

1、ACL損傷對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響:ACL斷裂會(huì)影響膝關(guān)節(jié)正常的生物力學(xué)。陳凱寧等[9]的研究表明,在ACL缺失時(shí),內(nèi)外側(cè)半月板受到的應(yīng)力均會(huì)增加,其中內(nèi)側(cè)半月板前角和后角在膝伸直位和屈曲位受到的應(yīng)力顯著增加。包含韌帶等軟組織在內(nèi)的精細(xì)膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立與生物力學(xué)分析,對(duì)研究膝關(guān)節(jié)韌帶損傷及其手術(shù)方法有重要意義。目前的臨床指南表明,ACL重建術(shù)是治療膝關(guān)節(jié)ACL損傷的金標(biāo)準(zhǔn)。雖然目前的手術(shù)技術(shù)很成熟,但病人的預(yù)后并不理想,韌帶重建術(shù)后病人膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率很高。年齡小于30歲的病人因ACL損傷接受ACL重建術(shù)后,其髕股關(guān)節(jié)炎的發(fā)生時(shí)間早于正常人,發(fā)生率大于正常人[10]。這可能與傳統(tǒng)的ACL重建術(shù)未精準(zhǔn)定位手術(shù)入路時(shí)的骨道角度以及移植物的股骨、脛骨放置點(diǎn)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變有關(guān)。

2、有限元分析法在ACL重建術(shù)中股骨隧道鉆孔中的應(yīng)用:有研究表明,ACL重建術(shù)中的骨道與股骨縱軸的夾角越大,移植物應(yīng)力越小;而骨道與股骨縱軸的夾角越小,移植物的應(yīng)力越大[11]。Xiao等[12]通過有限元分析方法構(gòu)建ACL重建模型,通過位移模擬重建術(shù)中移植物股骨端放置位置,得出了以下結(jié)論:股骨足跡中心的后部是移植物放置的最佳位置,其受到的應(yīng)力沒有明顯的變化;而放置在股骨足跡中心的上部和下部則不被允許,其受到的應(yīng)力可觀察到明顯的增加或減少。Westermann等[13]的研究結(jié)果與這一結(jié)論一致,其建立的非線性接觸有限元模型,通過評(píng)估25個(gè)不同的隧道位點(diǎn),代表ACL重建術(shù)中移植物放置位置,其結(jié)果也證明了移植物應(yīng)放置在股骨解剖足跡以恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)力學(xué);當(dāng)無法明確定位時(shí),放置在位于股骨解剖足跡稍后的移植物會(huì)產(chǎn)生相對(duì)良好的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)環(huán)境,而放置在股骨解剖足跡前方的移植物在生物力學(xué)上最不穩(wěn)定,脛骨前平移和移植物與脛骨的接觸壓力增加最大。

3、有限元分析法在ACL重建術(shù)中脛骨隧道鉆孔的應(yīng)用:Tang等[14]認(rèn)為,定位點(diǎn)應(yīng)位于外側(cè)脛骨平臺(tái)前緣,Gerdy結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)緣,與脛骨縱軸夾角為25°。Westermann等[13]建立了ACL的三維有限元模型,通過虛擬設(shè)置股骨、脛骨隧道角度,結(jié)果表明,脛骨隧道與脛骨縱軸的夾角與移植物的張力改變無關(guān)。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,但是卻不會(huì)改變移植物的張力大小。在研究定位點(diǎn)的位置對(duì)重建的ACL的張力的影響時(shí),Orsi等[15]建立的三維有限元模型模擬了脛骨定位點(diǎn)在各個(gè)方向偏移1 mm及3 mm時(shí)ACL受到的張力,結(jié)果表明,定位點(diǎn)向前側(cè)及前外側(cè)偏移會(huì)導(dǎo)致ACL張力明顯增加,定位點(diǎn)向后側(cè)及后內(nèi)側(cè)偏移則幾乎不會(huì)改變ACL的張力。這些信息可以幫助骨科醫(yī)生更加精確地進(jìn)行ACL重建或翻修,為骨科醫(yī)生在手術(shù)中定位股骨、脛骨鉆孔位置、角度、移植物的位置放置提供優(yōu)化的參考意見。

4、有限元分析法在ACL重建術(shù)單束、雙束重建中的應(yīng)用:在解剖學(xué)上,ACL通常分為兩束,即前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束。在膝關(guān)節(jié)伸直時(shí),后外側(cè)束收縮,前內(nèi)側(cè)束舒張;在膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí),前內(nèi)側(cè)束收縮,后外側(cè)束舒張。由于ACL雙束重建術(shù)中兩個(gè)束分別模仿原始的ACL解剖及運(yùn)動(dòng)模式,因此,在未進(jìn)行有限元分析之前,臨床醫(yī)生普遍認(rèn)為雙束重建比單束重建更加穩(wěn)固[16]。臨床案例的長(zhǎng)期隨訪結(jié)果也似乎印證了這一觀點(diǎn)。Naghibi等[17]建立的有限元模型還原了單束及雙束重建后的膝關(guān)節(jié),在進(jìn)行了步態(tài)分析后得出,單束重建和雙束重建都能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。Halonen等[18]的回顧性研究也證明了這一結(jié)論,同時(shí)其又指出,雖然單束重建及雙束重建都能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng),但單束重建后,半月板及周圍軟骨受到的應(yīng)力比雙束重建更大。因此,對(duì)于一些對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求不高的人群來說,選擇單束重建基本能滿足病人對(duì)日后膝關(guān)節(jié)活動(dòng)的需求;而對(duì)于那些對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求很高的人群,臨床上應(yīng)盡可能選擇雙束重建術(shù)來使膝關(guān)節(jié)恢復(fù)更高程度的生物力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。

5、有限元分析法在ACL重建術(shù)中移植物選擇的應(yīng)用:目前臨床上通常采用自體肌腱或者同種異體肌腱作為ACL重建術(shù)的移植物。移植物的應(yīng)力分布情況與病人的預(yù)后有顯著的相關(guān)性。自體肌腱移植多采用自體骨-髕腱-骨(BPTB)及半腱肌-股薄肌(STG)兩種方法。BPTB移植方法的優(yōu)點(diǎn)在于移植物的高拉伸負(fù)荷、高剛度以及骨對(duì)骨固定愈合更好。STG移植方法的優(yōu)點(diǎn)在于創(chuàng)傷更小[19]。但由于自體肌腱移植的二次創(chuàng)傷問題的存在,目前越來越多的臨床醫(yī)生開始選擇同種異體肌腱作為移植物進(jìn)行韌帶重建術(shù)。Ren等[20]在建立的同種異體肌腱模型上進(jìn)行受力分析,結(jié)果表明,ACL移植物的拉應(yīng)力在后股骨端最大,壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力及等效應(yīng)力均在前股骨端最大。移植物的應(yīng)力分布情況與完整ACL接近,同種異體肌腱移植術(shù)能恢復(fù)正常膝關(guān)節(jié)的功能活動(dòng)。因此,選擇自體肌腱與同種異體肌腱對(duì)病人的預(yù)后并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。此外,ACL的大小因人而異,研究表明,選擇的移植物的直徑會(huì)影響膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力,ACL直徑越大,應(yīng)選擇直徑越大的移植物,ACL直徑增加10%,相應(yīng)的移植物直徑應(yīng)增加3 mm,才能恢復(fù)正常的膝關(guān)節(jié)應(yīng)力。

三、膝關(guān)節(jié)PCL損傷的有限元分析

雖然PCL損傷的病人膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)不穩(wěn)定較ACL損傷病人少,但PCL損傷的病人也常有膝關(guān)節(jié)前部疼痛及爬樓梯困難等預(yù)后不良。Logan等[21]使用MRI評(píng)估了蹲姿時(shí)PCL破裂對(duì)脛骨、股骨運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn),PCL缺失與內(nèi)側(cè)半月板切除術(shù)相似,導(dǎo)致脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)后半脫位,與對(duì)側(cè)膝關(guān)節(jié)相比,PCL缺陷膝關(guān)節(jié)的跑步和爬樓梯的擺動(dòng)和早期站立階段的前后運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)速度增加。但最新的研究表明,PCL損傷可能對(duì)外側(cè)副韌帶的影響較大。謝強(qiáng)[22]重建了PCL缺失的有限元模型,模擬膝關(guān)節(jié)屈曲,膝關(guān)節(jié)ACL及內(nèi)側(cè)副韌帶受到的應(yīng)力較小,而外側(cè)副韌帶受到的應(yīng)力較大。這也解釋了為何PCL損傷病人常常繼發(fā)外側(cè)副韌帶的損傷。

PCL由前外側(cè)束(ALB)和后內(nèi)側(cè)束(PMB)組成。由于ALB的強(qiáng)度,PCL重建主要集中在該束的重建。然而,體外研究已經(jīng)證明了這兩種神經(jīng)束在膝關(guān)節(jié)功能中的重要性。Yoon等[23]研究表明,這兩個(gè)束有助于整個(gè)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的后路穩(wěn)定性。雖然ALB在屈曲時(shí)很緊,但PMB在屈曲時(shí)更水平定向,從而能更好地抵抗脛骨后平移。Yoon在之后又建立了包括股骨、脛骨、軟骨、半月板、膠原纖維和四種主要韌帶在內(nèi)的下肢三維有限元模型,并模擬單束重建、雙束重建和雙束增強(qiáng)模型,在施加生理應(yīng)力后,雙束增強(qiáng)模型具有最大的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。所以,雙束重建術(shù)更能還原PCL的生物力學(xué)和解剖學(xué),因此,目前臨床上PCL雙束重建術(shù)更為普遍。PCL雙束重建術(shù)通常采用各束止點(diǎn)中心定位法,即將隧道定位于ALB與PMB股骨止點(diǎn)的中心點(diǎn),而這個(gè)中心點(diǎn)并不是移植物的等長(zhǎng)點(diǎn)。因此,其生物力學(xué)與正常的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)存在差異。李永獎(jiǎng)[24]構(gòu)建了PCL的雙束重建術(shù)的有限元模型,通過對(duì)移植物各個(gè)點(diǎn)的力學(xué)分析,得出了股骨側(cè)只有三個(gè)點(diǎn)可以作為等長(zhǎng)重建點(diǎn)(即PCL ALB后點(diǎn)、近點(diǎn)和PMB近點(diǎn)),其在膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)位移在2 mm以內(nèi),可以作為PCL重建術(shù)股骨側(cè)參考定位點(diǎn)。

雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)膝關(guān)節(jié)的三維有限元分析的研究已有很多,但對(duì)于將膝關(guān)節(jié)周圍韌帶考慮在內(nèi)的精細(xì)膝關(guān)節(jié)模型的研究依然不充分。運(yùn)用有限元分析方法構(gòu)建一個(gè)更加高質(zhì)量的精細(xì)膝關(guān)節(jié)模型對(duì)于研究膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)至關(guān)重要。將多排螺旋CT及MRI數(shù)據(jù)結(jié)合起來構(gòu)建精細(xì)膝關(guān)節(jié)模型似乎是一個(gè)可以嘗試的解法。此外,目前所及的研究大部分僅限于在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建有限元模型,通過數(shù)據(jù)分析膝關(guān)節(jié)損傷的應(yīng)力,然后直接運(yùn)用于臨床,而在三維有限元技術(shù)輔助下,是否能影響膝關(guān)節(jié)骨折的愈合、韌帶的修復(fù)等,是否能給患者帶來好的預(yù)后,幾乎依靠術(shù)后隨訪所得。若能將其技術(shù)先運(yùn)用于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn),將會(huì)給臨床醫(yī)生運(yùn)用有限元技術(shù)治療疾病帶來更大的信心。