基于虛擬與仿真輔助下前交叉韌帶重建及有限元分析

【摘要】 目的 探索基于3D虛擬仿真輔助下前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）精準(zhǔn)化重建對ACL損傷患者快速康復(fù)的臨床價值。方法 選取珠海市人民醫(yī)院收治的60例ACL損傷患者作為研究對象，隨機將患者分為A組和B組，各30例，另選取30名健康成年人為C組。2組患者術(shù)前及術(shù)后均進行CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查評估，A組采用傳統(tǒng)ACL重建治療方案，B組在A組的基礎(chǔ)上采用計算機輔助下ACL重建治療，C組為30名健康成年人進行對照。利用有限元法測算A組和B組術(shù)后膝關(guān)節(jié)有限元模型在350 N 軸向載荷下屈曲0°、30°、90°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力分布情況，并與相同條件下的C組（健康對照組）模型進行對比，比較2種ACL重建方法的臨床療效。結(jié)果 屈曲0°時，A組股骨內(nèi)髁軟骨受到的最大應(yīng)力大于B組和C組；屈曲30°時，A組內(nèi)外側(cè)半月板、股骨內(nèi)外髁軟骨、內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力大于B組和C組；屈曲90°時，A組股骨內(nèi)髁軟骨和內(nèi)側(cè)半月板、脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力大于B組，內(nèi)外側(cè)半月板、脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力大于C組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論 借助虛擬與仿真輔助下的ACL重建手術(shù)可以恢復(fù)半月板和軟骨的生物力學(xué)性能，進而減小患者術(shù)后關(guān)節(jié)損傷和退化風(fēng)險。

【關(guān)鍵詞】 前交叉韌帶損傷；3D虛擬仿真；有限元模型

文章編號：1672-1721（2025）03-0065-04" " 文獻標(biāo)志碼：A" " "中國圖書分類號：R687.4

ACL損傷是膝關(guān)節(jié)運動系統(tǒng)中常見且復(fù)雜的損傷之一，不僅會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，還會顯著影響患者的運動功能和生活質(zhì)量，通常需要手術(shù)干預(yù)以恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和功能[1]。傳統(tǒng)的ACL重建手術(shù)已被廣泛應(yīng)用，借助它可以恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和功能[2]。盡管手術(shù)技術(shù)不斷進步，但術(shù)后效果和康復(fù)過程仍然受到多種因素的影響，包括手術(shù)精度、術(shù)后康復(fù)和個體差異等。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計算機科學(xué)的進步，虛擬與仿真技術(shù)逐漸被引入到ACL重建領(lǐng)域，這些技術(shù)不僅能夠提供高精度的膝關(guān)節(jié)三維模型，還能模擬不同手術(shù)方案下的生物力學(xué)行為，為手術(shù)規(guī)劃和評估提供了新的工具[3]。虛擬與仿真技術(shù)通過對患者個體的三維建模和有限元分析，能夠模擬術(shù)后膝關(guān)節(jié)在不同載荷下的應(yīng)力分布情況，從而幫助醫(yī)生優(yōu)化手術(shù)方案，提高手術(shù)精度和效果[4]。此外，有限元分析是一種強大的數(shù)值模擬工具，被廣泛應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為有限數(shù)量的元素，從而在計算機上模擬在各種條件下的行為[5]。在ACL重建手術(shù)中，有限元分析可以精確模擬膝關(guān)節(jié)在不同屈曲角度和載荷條件下的應(yīng)力和力學(xué)反應(yīng)，幫助評估手術(shù)后的生物力學(xué)效果，并預(yù)測可能的并發(fā)癥。本研究旨在結(jié)合虛擬與仿真技術(shù)，通過建立高精度的膝關(guān)節(jié)三維模型，并運用有限元分析，系統(tǒng)評估基于計算機輔助的ACL重建手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)方法在術(shù)后效果上的差異，為ACL損傷的治療提供更加精準(zhǔn)和科學(xué)的指導(dǎo)，進而提升臨床治療效果和患者的生活質(zhì)量，報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取珠海市人民醫(yī)院收治的60例ACL損傷患者作為研究對象，隨機將患者分為A組和B組，各30例。A組男性17例，女性13例；年齡18～40歲，平均（30.32±3.57）歲；受傷位置，左側(cè)14例，右側(cè)16例；受傷至入院時間1～5 d，平均（2.44±0.45）d。B組男性16例，女性14例；年齡18～40歲，平均（29.88±3.02）歲；受傷位置，左側(cè)12例，右側(cè)18例；受傷至入院時間1～7 d，平均（2.51±0.48）d。2組患者的一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具可比性。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核批準(zhǔn)，患者及其家屬知情同意。

納入標(biāo)準(zhǔn)：單側(cè)ACL急性損傷（＜3周）；閉合性損傷；無神經(jīng)精神疾病能配合康復(fù)治療。

排除標(biāo)準(zhǔn)：開放性損傷、合并感染及膝關(guān)節(jié)周圍腫瘤等；合并膝關(guān)節(jié)周圍骨折和或聯(lián)合韌帶損傷；存在神經(jīng)精神疾病，無法配合康復(fù)治療；慢性損傷，拒絕參與本次研究。

1.2 方法

挑選30名健康成年人，男性、女性比例1∶1，擬以膝關(guān)節(jié)CT、MRI薄層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過3D Mimics軟件重建包括韌帶、半月板等在內(nèi)的高仿真三維有限元模型，并利用有限元軟件Ansys Workbench對膝關(guān)節(jié)進行力學(xué)分析和模擬手術(shù)檢驗其有效性，檢測ACL在膝關(guān)節(jié)運動中所起到的量化作用。利用有限元法測算A組和B組術(shù)后膝關(guān)節(jié)有限元模型在350 N 軸向載荷下屈曲0°、30°、90°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng)力分布情況。

A組采用傳統(tǒng)ACL重建治療方案，即通過自體韌帶或腱材料進行韌帶重建，使用自體韌帶或腱材料作為移植材料，通過膝關(guān)節(jié)鏡進行取材、移植和固定。術(shù)后，通過CT和MRI掃描以及有限元分析評估手術(shù)效果，檢查膝關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)和應(yīng)力分布情況。

B組在A組的基礎(chǔ)上采用虛擬與仿真輔助下ACL重建治療，利用虛擬與仿真輔助技術(shù)進行精準(zhǔn)的手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航，確定韌帶移植的最佳位置和角度，并在手術(shù)過程中實時調(diào)整。術(shù)后，再次使用CT和MRI掃描以及有限元法分析評估膝關(guān)節(jié)的功能和應(yīng)力分布，并與傳統(tǒng)方法進行比較。

1.3 評價指標(biāo)

在膝關(guān)節(jié)屈曲0°、30°、90°的情況下，當(dāng)3組人員股骨受到350 N軸向力時，測量外側(cè)與內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨外側(cè)及內(nèi)側(cè)髁軟骨，以及外側(cè)和內(nèi)側(cè)半月板的最大應(yīng)力值，并進行對比分析。通過此項評估，探討ACL損傷后采用不同重建方法對膝關(guān)節(jié)內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，并據(jù)此推測應(yīng)力差異可能引起的膝關(guān)節(jié)退行性變化的風(fēng)險。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)，計量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析；計數(shù)資料以百分比表示，采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 屈曲0°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力比較

屈曲0°時，A組股骨內(nèi)髁軟骨受到的最大應(yīng)力大于B組和C組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），但B組與C組間比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），且其余位置的最大應(yīng)力3組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

2.2 屈曲30°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力比較

屈曲30°時，A組內(nèi)外側(cè)半月板、股骨內(nèi)外髁軟骨、內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力均大于B組和C組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），但B組與C組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。3組間外側(cè)脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表2。

2.3 屈曲90°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力比較

屈曲90°時，A組股骨內(nèi)髁軟骨及內(nèi)側(cè)半月板、脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力大于B組，內(nèi)外側(cè)半月板、脛骨平臺軟骨最大應(yīng)力大于C組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），但B組與C組間比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表3。

3 討論

ACL損傷通常需要通過手術(shù)修復(fù)來恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和功能，ACL重建手術(shù)是治療ACL損傷的常見且有效的方法[6]。傳統(tǒng)的ACL重建方法涉及使用自體韌帶或腱材料進行重建，術(shù)前通過CT和MRI掃描獲取膝關(guān)節(jié)的詳細影像數(shù)據(jù)，通過3D模擬重建膝關(guān)節(jié)的三維模型，以評估韌帶損傷的程度和關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性[7]。在手術(shù)過程中，通過膝關(guān)節(jié)鏡將自體韌帶或腱材料植入受損的前交叉韌帶位置，并通過固定裝置確保其穩(wěn)定性。術(shù)后，患者通常需要經(jīng)過長時間的物理治療恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的功能和力量。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬與仿真輔助技術(shù)的引入進一步推動了ACL重建手術(shù)?；?D虛擬仿真技術(shù)，可以在手術(shù)前通過虛擬模型進行詳細的規(guī)劃和模擬，優(yōu)化韌帶重建的位置和角度[8]。利用高精度的虛擬仿真工具，手術(shù)更加精準(zhǔn)，減小了術(shù)中誤差，提高了手術(shù)效果。3D虛擬仿真不僅加深了醫(yī)生對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的理解，還允許外科醫(yī)生在虛擬環(huán)境中模擬不同的手術(shù)方案，從而選擇最適合患者的治療方案[9]。因此，探索基于3D虛擬仿真技術(shù)輔助下的ACL精準(zhǔn)化重建具有重要的臨床價值。精準(zhǔn)化的手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航可以顯著提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，通過更精確的韌帶重建，膝關(guān)節(jié)術(shù)后的穩(wěn)定性和功能恢復(fù)會更加理想，患者可以更早地恢復(fù)正?；顒?，縮短康復(fù)期[10]。此外，3D虛擬仿真技術(shù)還能幫助醫(yī)生在手術(shù)前識別潛在的風(fēng)險因素和優(yōu)化手術(shù)方案，從而提高手術(shù)整體質(zhì)量[11]。本研究中，A組（傳統(tǒng)ACL重建）的術(shù)后應(yīng)力分布顯著高于B組（虛擬與仿真輔助ACL重建）和C組（健康對照組），尤其在屈曲角度為0°、30°和90°時。這表明，傳統(tǒng)ACL重建方法可能在一些關(guān)鍵點上未能有效恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)功能，導(dǎo)致較高的應(yīng)力集中，進而可能增加關(guān)節(jié)軟骨和半月板的負擔(dān)。相較之下，虛擬與仿真技術(shù)具有高精度的三維建模和影像學(xué)數(shù)據(jù)，計算機輔助下的ACL重建方法能夠更好地模擬自然關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布，尤其是在較大屈曲角度時表現(xiàn)出更優(yōu)的應(yīng)力分布，接近健康C組。醫(yī)生可以利用這些模型進行詳細的手術(shù)規(guī)劃，包括確定最佳的移植物位置、角度和固定方式。這種精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃不僅縮短了手術(shù)時間，減小了創(chuàng)傷，還確保了移植物的正確放置，從而更好地恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)平衡[12]。另外，虛擬與仿真技術(shù)能夠在手術(shù)過程中提供實時的導(dǎo)航和反饋，醫(yī)生可以實時監(jiān)測手術(shù)器械的位置和方向，確保每一步操作的精確性，不僅減小了手術(shù)中的誤差，還提高了手術(shù)的安全性。因此，虛擬與仿真輔助的ACL重建可能在改善術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能和減小關(guān)節(jié)損傷方面具有潛在優(yōu)勢。然而，在不同組間的比較中，B組與C組的應(yīng)力分布差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），表明虛擬與仿真輔助方法在某些方面可能與C組相似，但在特定屈曲角度下仍表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。這些結(jié)果展現(xiàn)了計算機輔助技術(shù)在ACL重建中的潛在臨床價值，尤其是在提高術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能方面。

綜上所述，借助虛擬與仿真輔助的ACL重建手術(shù)，可以恢復(fù)ACL損傷患者半月板和軟骨的生物力學(xué)性能，進而減小患者術(shù)后關(guān)節(jié)損傷和退化風(fēng)險。

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（編輯：張興亞）