三维有限元分析在前交叉韧带重建中的应用研究进展

杨骁 李彦林 刘德建 陈泳佳 何映红

昆明医科大学第一附属医院运动医学科（昆明650032）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤常见于体育爱好者中，ACL 断裂在普通人群中的发病率约为1/3000，在运动员等进行高强度训练的职业人群中发病率为60/10000[1]。ACL 解剖重建术被认为是治疗ACL 撕裂最有效的方法[2]。膝关节是人体最复杂的关节，主要功能为屈伸、旋转等运动，膝关节的解剖结构和运动功能决定了它的生物力学特性。前交叉韧带是维持膝关节生物力学稳定性的重要结构之一[3]，单独分析前交叉韧带的生物力学特性时不可脱离整个膝关节，而传统实验力学研究已经逐渐走到瓶颈，而三维有限元分析（three-dimensional finite element analy⁃sis，3D-FEA）凭借在生物力学研究中的自身固有优势[4]，打破了传统实验的局限性，被逐渐用于膝关节问题的研究。本文对3D-FEA 在前交叉韧带重建中的应用进行综述，以利于指导ACL重建术的改进。

1 膝关节有限元模型的建立

要进行前交叉韧带相关的生物力学有限元分析，需要建立完整的膝关节有限元模型。通常的步骤包括：①运用CT 和MRI 进行薄层扫描，获取DICOM 格式的膝关节原始图像数据；②利用mimics、3D-doctor等软件提取数据后建立原始几何模型；③将原始几何模型导入Hypermesh、Geomagic等软件中进行去噪、平滑、网格化等有限元前处理；④将模型导入ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件中，定义各组织材料属性和赋值、设定边界约束及负荷；⑤进行有限元分析和求解。膝关节数据的采集一般可利用三维激光扫描法和断层扫描成像法，目前主要运用CT和MRI两种断层扫描成像法采集数据。CT对骨组织分辨率较高，但对软组织分辨率低，而MRI 则对肌肉、韧带等软组织有较高分辨率，正好弥补了CT的不足。利用MRI图像进行建模，可以提高建模的真实性和精确性，但MRI 也不能对所有组织都进行区别，且建模耗时较多；利用CT 可以方便骨组织的快速重建，但其他软组织结构无法准确重建。国内有学者联合CT 和MRI 采集的图像信息建立膝关节模型，可保证各解剖结构的真实性、提高时效性，但在配准融合时仍有技术难题[5，6]。在材料的属性及参数设定时，由于骨组织的硬度较大，其变形小于软组织，因此将其设置为弹性模量较大的各向同性的线弹性材料；软骨和半月板也设置为各向同性的线弹性材[7]；由于韧带只受拉力、不受压力的材料特性，故将韧带的材料属性设置为非线性弹簧单元属性，Achilles 等[8]证实将关节模型的韧带材质属性设定为非线性弹簧单元所获得的有限元分析结果相比于设定为线性材质时更接近真实。王光达等[9]研究认为膝关节的运动共有6 个自由度控制，即在X、Y、Z轴3个方向上的旋转和位移，不同的膝关节有限元分析，模拟的运动和力学环境不尽相同，其边界设定也均不相同。

2 三维有限元分析在前交叉韧带重建术中股骨隧道定位中的应用

多种因素决定了前交叉韧带重建术的成功或失败，包括股骨和胫骨隧道的位置和角度、半月板和软骨的状态、移植物的材质、手术技巧、移植物预牵张力和术后康复等。前交叉韧带重建时主要是经胫骨和股骨钻骨隧道，这经常导致移植物的固定位置向前和向上偏移。曾有学者在尸体上模拟前交叉韧带重建，然后行膝关节的生物力学试验，但这些试验受到了多种技术限制。首先是在膝关节标本上打骨隧道的骨性区域是有限的，而且每一个骨隧道之间都必须有稳定的骨组织。其次，在尸体试验中评估不同位置的移植物之间的细小差异极其困难，这些都限制了对移植物的位置评估。相比之下，使用有限元分析评估移植物隧道位置就没有那么多的限制。Westermann 等[10]围绕前交叉韧带股骨足印区建立了25 种不同股骨隧道位置的有限元模型，对每个模型都模拟相同的Lachman试验，对比分析每个模型中前交叉韧带移植物的张力、胫骨前移程度、软骨接触应力、内外侧半月板应力，经综合分析后认为当ACL移植物股骨端止点位于解剖足印区前方时移植物所受张力最大、胫骨前移位最大、各组织结构间的接触应力也最大。综合文献，将ACL 移植物固定于股骨端的解剖足印区最好。在无法确定解剖足印区时，可将ACL 移植物固定于距原韧带附着处稍微偏后、偏下的位置，此时可得到最佳的膝关节稳定性。

3 ACL移植物尺寸对膝关节生物力学的影响

在自体肌腱移植前交叉韧带重建术中，因个体差异和手术医生取肌腱的技术、部位不同，每个患者的ACL移植物直径不尽相同。国外有学者对接受自体腘绳肌腱移植ACL 重建术后的患者进行随访发现，移植物直径与术后患者关节功能恢复、手术失败率等有线性相关关系[11]。Westermann 等[12]通过建立非线性接触的单束前交叉韧带重建三维有限元模型，以ACL 移植物的直径为变量建立了9 个膝关节模型，直径范围从5 mm 至9 mm 不等，对所有模型模拟相同的Lachman试验，分析胫骨和股骨前后相对移位距离、半月板应力、软骨接触应力。其认为随着ACL 移植物直径的增大，胫骨和股骨前后相对位移距离减小，半月板所受的应力峰值和关节软骨的接触应力峰值均随着移植物半径的增加而减少。综上所述，在前交叉韧带重建术中，在保证股骨隧道定位点精确、安全、移植物长度足够的前提下，应该尽可能增加移植物的直径，移植物直径越大，术后患者关节功能和稳定性越好。

4 ACL重建中隧道角度对膝关节生物力学的影响

导致ACL重建术失败最主要的技术原因就是错误的胫骨和股骨隧道位置[13]，隧道只有在正确的解剖位置才能保证手术的成功。Parkar 等[14]曾报道当胫骨隧道和股骨隧道与膝关节冠状面夹角成60°时可减低膝关节屈曲时的ACL 移植物张力，并最大程度地减少移植物和后交叉韧带外侧缘的撞击。Peña等[15]应用胫股关节的三维有限元模型，模拟膝关节由0°屈曲至60°的运动过程，通过比较胫骨隧道和股骨隧道分别与冠状面夹角为60°、70°、80°时的胫骨前移距离、移植物张力等数据，结果发现ACL重建术后，在股骨隧道和胫骨隧道均与冠状面呈60°时，所得到的胫骨前移距离与正常膝关节模型中的胫骨前移距离最接近，同时ACL 移植物的张力也是所测得的最小值。股骨隧道与冠状面间的夹角主要影响移植物的张力，而胫骨隧道与冠状面间的夹角主要影响ACL 移植物的松弛度，其有限元分析的结果和体外生物力学实验结果相同。Van Der Bracht 等[16]通过对ACL 单束重建的三维有限元模型模拟pivot-shift试验，发现ACL移植物的张力峰值位于股骨隧道的关节腔内开口处，而胫骨隧道与胫骨平台的夹角并不影响ACL 移植物的张力峰值大小和位置；而从外侧打胫骨隧道会增加移植物在胫骨平台开口处的弯折角度，同样不影响ACL移植物的张力峰值大小，但是会使张力峰值从股骨隧道口向胫骨隧道口转移。

5 三维有限元分析在分析ACL 移植物预牵张力中的应用

不合适的移植物预牵张力是ACL重建术失败的潜在原因。较高的预牵张力会降低运动性能、延缓移植物血管化、导致移植物粘液样变、增加关节接触压力和骨关节炎发生率。而预牵张力不足会导致永久性的膝关节不稳和功能低下[17]。Peña 等[18]通过建立膝关节有限元模型，分析了髌腱、股薄肌、半腱肌三种移植物在不同预牵张力、不同膝关节屈曲角度下的膝关节稳定性，认为在ACL重建术中，使用髌腱作为移植物且预牵张力在60 N 时可使重建后的膝关节稳定性最接近于正常。Halonen 等[19]认为对于ACL 重建术，ACL 移植物的刚度和预牵拉力比手术技术更重要。移植物在术中固定时的过度紧张有利于增加术后膝关节功能稳定性，因为所有移植物在手术后都会松弛。

6 三维有限元分析在ACL 生物力学分析中的应用

前交叉韧带在膝关节运动过程中具有核心作用[20]，当ACL缺失后膝关节稳定性下降，膝关节的生物力学变化，半月板和关节软骨的应力分布也会随之改变。陈凯宁等[21]通过对比分析ACL 正常时和断裂后的膝关节在伸直位的运动状态，发现除了外侧股骨软骨，内外侧间室中半月板和软骨的应力均比正常时有不同程度的增加，其中内侧胫骨软骨的应力增幅最大，内侧间室的平均应力增幅大于外侧间室。陈凯宁等[22]之后再次通过模拟ACL正常和缺失的膝关节在伸直位、15°和30°屈曲位的运动状态，发现ACL断裂主要导致内侧半月板前角和后角的应力分别在膝伸直位和屈曲位显著增加，而内外侧半月板体部无明显的应力改变。Yao 等[23]建立了前交叉韧带缺失的膝关节三维有限元模型，发现内侧半月板对整个关节的稳定性作用最大，且内侧半月板后侧部位承受负荷也较大。此结果解释了大部分ACL缺失患者内侧半月板后部退变最严重的现象。Xie 等[24]通过建立正常膝关节的三维有限元模型，发现前交叉韧带的内部张力呈不均匀分布，前内侧束比后外侧束承受更多的张力；前交叉韧带内部的张力随着胫骨的前移而增加，且张力从胫骨止点向股骨止点传导增加，ACL 的张力集中于股骨止点附近，这也解释了大部分患者的ACL 断裂均位于股骨止点附近。Zhang 等[25]通过对ACL 止点的解剖研究和模拟Lachman、pivot-shift试验的三维有限元分析，证实ACL胫骨止点为一扁长的弧形。较大的胫骨平台后倾角（posterior tibial slope，PTS），将导致ACL 在运动中承受更大的应力，是ACL 非接触性损伤的一个高危因素[26]。Qi 等[27]建立了胫骨平台后倾角分别为2°、7°、12°的三个三维有限元模型，模拟相同的加载条件，发现胫骨和股骨的相对位移随着PTS 的增加而增大，ACL承受的张力也表现为同样的趋势。其研究结果支持了大部分临床观察结果。

综上所述，三维有限元分析可用于探索更多前交叉韧带相关生物力学特性，也可用于其他骨关节结构的生物力学分析研究。FEA 避免了动物实验周期长、耗费大量人力物力、人和动物解剖结构差异的缺点，利用计算机模型对复杂的ACL重建术后的膝关节生物力学机制进行实验仿真，通过对模型的数据分析评估，可获取最佳的ACL 重建术中的隧道位置等数据，进一步优化和改进手术。FEA也克服了动物实验和尸体实验研究中的外界条件对实验的影响，不仅具有稳定性的特点，还节约了实验成本。可根据实验需要对实验力学因素进行控制，也可以对同一有限元模型进行不同的实验干预。另一方面，有限元分析只是一种数字化模拟方法，仍停留于理论层面，若不与传统生物力学实验、动物实验、解剖学、临床随访等相结合，就无法验证三维有限元分析的真实性和准确性。目前，国内外学者出于不同的研究目的建立了不同的有限元模型，在软组织的塑造和构建上质量参差不齐，浪费了大量人力、物力和财力，笔者倡导共同建立标准化、高质量、应用广的三维有限元模型数据库，供研究者使用，共同推动有限元分析的发展。