传统与计算机辅助下前交叉韧带重建术疗效比较的有限元分析

韦展图，王小平，胡世锵，陈路遥，黄道强，黄 俭，吴玮伟，冯伟力

目前临床治疗前交叉韧带(ACL)损伤的常用方法为关节镜下ACL重建术[1]。而关节镜下ACL重建术虽具有确切的治疗效果，但存在较高的返修率、失败率及关节退变率，对患者的膝关节功能可造成严重影响[2]；相关研究发现[3],胫骨隧道和股骨的定位是否精确是关节镜下ACL重建术成败的关键因素。目前，临床对关节镜下ACL重建术后半月板、关节软骨的应力分布及生物力学特性的有关研究报道较少[4]。本研究对我科2015年4月～2017年7月收治的20例ACL重建患者资料进行分析，联合CT与MRI影像资料重建出三维膝关节数字模型，利用有限元法对ACL重建术后骨性关节炎发生发展力学机制进行探讨，比较传统与计算机辅助下ACL重建术后膝关节退变的风险以评估疗效,报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例选择纳入标准：① 确诊为ACL损伤；② 因交通事故或运动而导致膝关节功能障碍；③ 无严重的心、肝、肾等功能障碍。排除标准：① 存在膝关节感染及肿瘤等病变；② 合并骨折或多发韧带损伤；③ 病例资料不完整。本研究经医院伦理委员会审核批准，患者或家属签署知情同意书。

1.2 研究资料共纳入20例ACL损伤患者和10例健康志愿者作为研究对象。根据ACL重建术的不同将20例ACL损伤患者分成观察A组(10例)、观察B组(10例)，将10例健康志愿者作为对照组。① 对照组：男8例，女2例，年龄17～51(35.7±6.2)岁。② 观察A组：男7例，女3例，年龄18～54(34.8±6.4)岁；病程2～10(3.4±1.2)个月；致伤原因： 2例运动损伤，8例交通事故伤；7例右膝损伤，3例左膝损伤。③ 观察B组：男5例，女5例，年龄15～53(36.2±6.5)岁；病程1～12(3.7±1.1)个月；致伤原因：6例运动损伤，4例交通事故伤；9例右膝损伤，1例左膝损伤。观察A、B两组一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。

1.3 方法

1.3.1对照组 采用由GE公司生产的GE 1.5 T超导型磁共振机对伸直且15°外旋体位患者的膝关节进行扫描；采用由SIEMENS公司生产的64排螺旋CT设备对侧卧屈膝位患者的膝关节进行连续扫描，以完成图像采集；然后利用患者CT与MRI的影像资料通过医学影像重建软件(Mimics 14.11)建立三维几何模型，将几何模型导入ABAQUS有限元软件后进行网格划分、赋值材料属性、加载边界条件等前处理，成功建立膝关节屈曲角度0°、30°、90°时的有限元模型；最后分别在ABAQUS软件中进行运算得出膝关节内外侧胫骨平台软骨、股骨内外髁软骨以及内外侧半月板的应力分布。

1.3.2观察A组 采用传统ACL重建术，三维有限元模型建立及计算方法与对照组相同。

1.3.3观察B组 采用计算机辅助下ACL重建术，三维有限元模型建立及计算方法与对照组相同。

以上3组建立的三维有限元模型均通过有效性验证。

1.4 观察指标观察并比较3组膝关节屈曲角度为0°、30°、90°时，股骨加载350 N的轴向载荷后外侧胫骨平台软骨、内侧胫骨平台软骨、股骨外髁软骨、股骨内髁软骨、外侧半月板及内侧半月板的最大应力情况，以此来评估ACL损伤后不同重建术对膝关节内应力分布的影响，以及预估因为应力分布差异带来的膝关节退变概率[5]。

2 结果

2.1 膝关节有限元模型建立及网格划分结合3组患者的膝关节CT及MRI影像资料，同时参照膝关节X线影像，建立了包含骨、软骨、半月板及主要韧带的3组膝关节有限元模型，所建膝关节模型结构完整、逼真，见图1～3。

2.2 屈曲0°时最大应力见表1。屈曲0°时，股骨内髁软骨受到的最大应力观察A组大于对照组、观察B组，差异有统计学意义(P<0.05)，观察B组与对照组比较差异无统计学意义(P>0.05)。内外侧胫骨平台软骨、股骨外髁软骨及内外侧半月板最大应力3组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。

2.3 屈曲30°时最大应力见表2。屈曲30°时，内侧胫骨平台软骨、股骨外髁软骨、股骨内髁软骨、外侧半月板及内侧半月板的最大应力观察A组均大于对照组、观察B组，差异有统计学意义(P<0.05)，观察A组与对照组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。外侧胫骨平台软骨最大应力3组比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.4 屈曲90°时最大应力见表3。屈曲90°时，外侧胫骨平台软骨、内侧胫骨平台软骨、外侧半月板及内侧半月板最大应力观察A组均大于对照组，差异

图1 对照组膝关节影像资料及三维数字模型 A.膝关节正位X线片； B.膝关节矢状位MRI；C.膝关节三维几何模型正面观 图2 观察A组膝关节影像资料及三维数字模型 A.膝关节正位X线片； B.膝关节矢状位MRI(ACL断裂)； C.ACL重建术后膝关节三维几何模型后面观 图3 观察B组膝关节影像资料及三维数字模型 A.膝关节正位X线片； B.膝关节矢状位MRI(ACL断裂)； C.ACL重建术后膝关节三维有限元网格模型后面观有统计学意义(P<0.05)；内侧胫骨平台软骨、股骨内髁软骨及内侧半月板最大应力观察A组均大于观察B组，差异有统计学意义(P<0.05)。膝关节内各结构受到的最大应力观察B组与对照组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 3组屈曲0°时膝关节内各结构受到的最大应力比较

表2 3组屈曲30°时膝关节内各结构受到的最大应力比较

表3 3组屈曲90°时膝关节内各结构受到的最大应力比较

3 讨论

ACL主要作用为约束胫骨的前移，是维持人体膝关节运动功能和关节稳定的重要组成结构[6]。各种交通事故及运动损伤极易导致ACL损伤，且患者ACL损伤后自愈能力较差[7]。研究发现，一旦患者ACL损伤后，可严重影响患者膝关节的力学平衡及稳定性，造成患者膝关节内各结构软骨的应力升高，并超过正常人的应力范围，最终导致患者出现软骨退变及半月板损伤等较难恢复的病变[8-9]。研究显示，为恢复患者正常的生物力学特征及稳定性，我国通常采用关节镜下ACL重建术，以达到恢复患者膝关节的关节功能及稳定性的目的[10]。而重建精确的ACL起止点是手术成败的关键因素[11]，计算机辅助下ACL重建可准确定位胫骨隧道和股骨，达到个性化准确重建的目的。

有限元法别名为有限元素法，为离散化数值计算法的一种，其是将具有复杂弹性特征的物体当作由无限质点集合而成的集合点，采用离散化的有限单元模型取代所研究的物体[12-13]。同时，其单元间采用节点连接，而单元间再利用节点传力来完成相互作用，称作节点力；待所有单元的节点及物质特性的边界条件及载荷确定后，经节点与节点位移之间存在的关系，利用其关系式计算得出所有单元的刚度矩阵[14]。而所有单元的刚度矩阵通过集合，进而组成构件总刚度矩阵，再将其利用数学形式进行表达。有限元分析研究在现代力学、数学及计算机学等领域均具有较深涉及，亦属于物理数学方法的一种。本研究中，利用此法可明确患者ACL起止点的角度、部位及位置[15]；建立具有优良交互界面的虚拟三维模型，使手术医师充分模拟手术及展开术前规划，并对患者的临床应用进行有效指导，由此可提高定位隧道位置的准确性及减少手术并发症[16-17]。

本研究结果显示，正常膝关节的内侧间室应力大于外侧间室，导致内侧间室磨损较外侧间室严重，可引起膝内翻畸形的骨性关节炎，与临床膝关节骨性关节炎多呈内翻畸形相符，证明所建立的膝关节有限元模型具有可靠性。从ACL重建术后患者膝关节应力分布中可以看出，膝关节峰值应力也主要集中在内侧间室，提示未来膝关节内侧间室的退变可能较外侧间室严重，引起膝关节内翻畸形。由此证明，ACL重建术后膝关节内外侧间室应力分布不均可能是导致膝关节骨性关节炎发生的主要原因。

本研究对比3组在350 N轴向载荷下，膝关节屈曲0°、30°、90°时各结构受到的应力分布情况，采用传统ACL重建术患者的膝关节半月板及软骨所受到的最大应力均大于计算机辅助下ACL重建术的患者及健康志愿者，表明传统ACL重建术后膝关节内应力增大，可能导致膝关节内软骨磨损的加速，存在较高的骨性关节炎发生风险；而采用计算机辅助下ACL重建术患者的半月板及软骨所受到的最大应力与健康志愿者比较差异无统计学意义，进而证明计算机辅助ACL重建手术可恢复患者半月板及软骨的生物力学特性，并降低患者术后关节损伤及退变概率。

综上所述，CT与MRI三维重建模型直观、逼真，充分包含患者膝关节各个重要结构，可有效观察患者膝关节不同受力及运动状态下的生物力学特性，并通过有限元法分析发现，计算机辅助ACL重建手术治疗效果显著，可有效恢复患者半月板及软骨的生物力学特性，降低患者术后关节损伤及退变概率，值得临床推广。