电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯的三维有限元分析

许海飞 赵改平* 杨加静 王芗斌 许世雄

1(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

2(福建中医药大学康复医学院，福州 350122)

3(复旦大学力学与工程科学系，上海 200433)

引言

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis， KOA)是最常见的关节退行性疾病，其特征为关节软骨组织发生进行性退变、关节边缘骨赘形成和软骨下骨质反应性改变，主要表现为膝关节疼痛、无力及由此引起的行走、起立和上下楼梯困难，严重影响患者的日常生活[1]。上下楼梯是一项生活中的常见活动，下肢各关节较平地步行时需要较大的活动度及肌力矩来维持运动[2]；在上下楼梯活动中，膝骨性关节炎患者表现出更大的困难[3]；据统计，16.7%的膝骨性关节炎患者有活动障碍[4]。膝骨性关节炎患者在平地行走或完成如登梯等较复杂的生理活动时，长时间的伸屈关节运动会使膝关节受力不均匀，应力分布和关节腔空间变化均会导致膝关节骨组织或软骨组织的损伤，致使病情加重。膝骨性关节炎临床治疗比较困难，目前主要的治疗方法包括手术、药物和中医(电针、推拿、拔罐、艾灸)等[5-6]。其中，电针治疗是膝骨性关节炎的有效疗法之一，可降低疼痛、吸收炎症和改善局部血液循环等。电针治疗是在单纯针刺穴位的基础上，通以人体生物电的微量连续电流波，以刺激穴位，产生肌收缩，改变局部血液循环，利于吸收渗透液，降低膝骨性关节炎患者炎症的发生，减小软骨的破坏程度[7-8]，国内单纯电针治疗的有效率高达73.3%。裘敏蕾等[9]于2006年单独使用电针治疗膝骨性关节炎，并与药物进行对比，结果表明电针治疗的疗效要明显优于药物组的疗效，且不良反应发生率少。田雯等[10]于2015年采用麦克马斯特骨关节炎调查量表及视觉模拟评分法，对电针治疗膝骨关节炎的病程进行分析评估，研究表明患者经过电针治疗后，膝关节的各项评分均较治疗前有明显改善，且电针疗法对病程各个阶段都有明显的疗效。王芗斌等[11]于2017年通过膝关节功能状况及登梯步态的检测，发现电针能显著提高 KOA 患者的上下梯速度、频率，而电针对 KOA 患者的症状及功能的改善效应与上下梯步宽及步行效率的提高有关。除可单独使用治疗膝骨性关节炎外，电针还可以与其他治疗方法搭配使用，如中药熏洗、推拿、隔姜灸、刺络拔罐以及药物治疗等方法，疗效依然显著[12]。目前大量的临床研究证明，电针是治疗膝骨性关节炎的重要手段，其方法简单、无副作用、疗效明确，患者的耐受性良好，便于长期使用，很符合膝骨性关节炎的病情特点，是目前治疗膝骨性关节炎的重要手段之一。

目前对膝骨性关节炎的治疗方式报道较多，对其疗效评价最常用的方法是临床评估和生物力学评价。临床评估属于定性分析，是指术后通过对患者的患处局部疼痛值、复发率等指标的统计分析，看是否能达到治疗的效果，这种方法可以在一定程度上为后续治疗方法的改进提供参考依据；而生物力学研究为定量分析，膝骨性关节炎的生物力学研究主要包括有离体实验、动物实验和有限元分析三种[13]。但动物实验在关节活动度和修复能力等方面与人体存在差异，离体实验样本少、价格贵，实验方法复杂，实验结果受实验条件影响大。有限元分析方法则不仅不受实验条件的影响，能形象逼真地建立膝关节三维骨骼、软骨、韧带等组织，而且也能模拟不同治疗方式下的膝骨性关节炎模型，并分析损伤机制、治疗效果和治疗前后的生物力学特性的变化。有限元方法可以获得实验方法无法得到的一些相关数据，而且具有重复计算、节约实验成本等优点，因此有限元分析有着很强的开放性和后续研究空间[14]。有限元方法的发展为膝骨性关节炎内部生物力学特性的研究提供了有效的手段，能直观地评价治疗效果和分析影响因素，目前探讨电针治疗膝骨性关节炎生物力学特性的有限元分析已成为焦点。

为探讨电针治疗膝骨性关节炎的软组织生物力学作用机制，预防骨性关节炎的发展，笔者以膝骨性关节炎患者上下楼梯运动为研究对象，选取此时身体所受支反力最显著的膝关节屈曲角度，分别对应下楼梯膝关节屈曲15°和上楼梯屈曲50°[15-16]，利用三维有限元方法，对电针治疗上下楼梯运动中膝骨性关节炎生物力学的改变进行仿真研究，分析膝关节生物力学行为的变化与电针治疗疗效的相关性。

1 材料和方法

1.1 有限元模型建立

选取一名成年男性志愿者的膝关节CT和MRI断层扫描图像，经其同意将扫描图像用于此次研究，以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 10.0(比利时Materialise公司)，通过逐层分割及修补对二维图像进行三维重建，将由CT和MRI得到的重建数据重新导入Mimics中进行配准，建立完整的初始直立位膝关节模型，包括骨骼和软组织结构，如股骨、胫骨、腓骨、半月板、股骨软骨、胫骨软骨等。依据膝关节解剖结构，利用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0(美国Geomagic公司)，对模型各部分复杂曲面进行拟合处理，并导入Hypermesh 12.0(美国Altain公司)有限元前处理软件；根据膝关节CT图像数据，采用上述相同的方法重建屈膝15°和50°的膝关节三维有限元模型，并用四面体单元分别对膝关节模型的各部分进行网格划分、材料赋值(见表1)，关节软骨与半月板之间引入接触关系，膝关节骨性结构及软骨材料设为各向同性；为进一步建立膝关节模型的前后交叉韧带、内外侧副韧带等组织，采用只承受张力载荷且无压应力特征的Truss单元模拟，前交叉韧带、后交叉韧带、外侧副韧带、内侧副韧带的截面积分别为42、60、18和25 mm2[17]。图1所示为膝关节屈曲15°和50°的三维有限元模型。

表1 膝关节有限元模型材料属性Tab.1 Material properties of the knee joint finite element model

图1 膝关节屈曲15°、50°的三维有限元模型。(a)屈膝15°前视图；(b)屈膝15°侧位视图；(c)屈膝50°前视图；(d)屈膝50°侧位视图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 患者力学数据测量

由福建中医药大学附属康复医院选取36名年龄在40～80岁之间的早期膝骨性关节炎患者作为研究对象(见表2)，要求双侧膝关节均有病变，能够自行平地行走，近2个月内可以接受电针治疗，但是排除患有心脏病等重大疾病(如中风、骨折等)影响步态的疾病患者，同时保证每个研究对象都自愿且同意发表研究结果，该研究经过福建中医药大学附属康复医院伦理委员会批准。将纳入36例患者随机分为观察组和对照组，观察组采用电针经穴治疗，对照组采用非经非穴浅刺的方法，最大程度降低针刺可能带来的效应影响。两组患者性别、年龄、病程、BMI、K/L病情轻重程度分级法比较差异均无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。上下楼梯过程中的动力学分析模型如图2所示，上梯过程以右足着地(a)→右足离地(b)→右足再次着地(c)为一个步态周期，下梯过程以右足着地(d)→右足离地(e)→右足再次着地(f)为一个步态周期，由福建中医药大学人体三维步态实验室提供。

图2 上下楼梯过程的动力学分析模型。(a)上楼梯时右足着地；(b)上楼梯时右足离地；(c)上楼梯时右足再次着地；(d)下楼梯时右足着地；(e)下楼梯时右足离地；(f)下楼梯时右足再次着地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 纳入研究KOA患者基本资料Tab.2 Basic information of KOA patients included in the study

根据临床经验及文献[22]，取穴以膝周穴位为主，包括血海、足三里、梁丘、阴阳陵泉、内外膝眼，此穴位的选择符合腧穴的近治作用(即主治所在)，同时也符合KOA局部病变的病理特点。针身深入关节囊中，能直达病处。电极分为两组：一组为血海与内膝眼，一组为梁秋与外膝眼。然后，将电机接G6805电针仪，采用频率为2 Hz的连续方波，两组同时进行，治疗时间持续30 min，每天治疗1次，治疗持续3周、共11次，治疗前后均进行实验数据采集。

实验数据均由福建中医药大学附属康复医院实验分析提供，实验选取上下楼梯运动时身体所受支反力最显著的膝关节屈曲角度，分别对应的是下楼梯膝关节屈曲15°和上楼梯屈曲50°[23]，相应的力学数据由地面测力台测得，是地面对人体膝关节的反作用力。选取36名患者治疗前后膝关节所受载荷的平均值，其中下楼梯膝关节屈曲15°时，实验测得膝关节电针治疗前后承受的反作用力分别为1 884和1 680 N，屈曲力矩分别为48和51 N·m；上楼梯膝关节屈膝50°时，测得电针治疗前后承受反作用力分别为1 716和1 590 N，屈曲力矩分别为59和62 N·m。据文献记载，模拟下楼梯15°正常模型的支反力为156%BW，屈曲力矩为66 N·m；模拟上楼梯50°正常模型的支反力为123%BW，屈曲力矩为66 N·m[24-26]。

1.3 负载与边界条件

上下楼梯是持续运动的过程，施加载荷时需考虑人体重力、股骨相对胫骨的后移胫向力、膝关节惯性力和地面支反力等的合力作用，因此在下楼梯15°和上楼梯50°模型的股骨髁中心点上分别施加相应的载荷，以模拟正常组模型、KOA组模型和KOA+电针组模型。固定膝关节胫骨及腓骨下表面的所有节点，限制其6个方向的自由度，膝关节模型各组件之间网格没有穿透情况，切应力方向无摩擦，并设置有如下接触对：外半月板-股骨软骨、外半月板-胫骨软骨、内半月板-股骨软骨、内半月板-胫骨软骨和股骨软骨-胫骨软骨接触对，股骨软骨和胫骨软骨外侧和内侧之间表面相互作用确定为小滑动。定义这些表面之间相互作用的接触关系是“硬接触”， 摩擦系数为0.001，使用Abaqus 6.13(美国达索SIMULIA公司)软件，对各模型进行计算分析，探究各关节软骨及半月板的应力变化。

1.4 模型的应力分析

本研究选取等效应力值Von Mises stress(VMS)作为衡量各组膝关节半月板、髌韧带、关节软骨各节点应力水平的主要指标。VMS是根据第四强度理论定义的一种综合应力，反映了材料内部各点的平均应力水平，是有限元分析中最客观的指标之一[27]。米塞斯屈服准则[28](Von Mises yield criterion)是指：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态，其物理意义为：在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能(又称“弹性形变能”)达到某一常数时，材料就屈服，即在本研究中节点等效应力值越大，则越早进入塑性状态，越容易受到破坏。

2 结果

2.1 下楼梯屈膝15°时电针治疗前后结果分析

首先对直立位模型进行有效性验证，结果如图3所示，其中内外侧半月板的接触应力值分别为2.96和2.46 MPa，股骨软骨的接触应力为2.40 MPa，内外侧胫骨软骨的接触应力分别为1.88和2.57 MPa，该结果与 Bendjaballah[29]、Donahue[30]、Pena[31]、Zhu[32]、Shriram[33]等的研究结果相近，验证了模型的有效性。下楼梯屈膝15°电针治疗前后各关节软骨处最大应力如图4所示，研究结果表明：KOA组的内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨所受应力分别为6.95、4.55、2.74、2.78和2.12 MPa，均高于正常组和电针治疗组的值，电针治疗后各关节软骨所受应力均有所降低，降幅分别为7.76%、5.05%、7.29%、8.63%和15.67%，证明电针疗法对膝骨性关节炎有一定的效果。

图3 直立位模型的验证Fig.3 Verification of the upright position model

图4 下楼梯屈曲15°电针治疗前后关节软骨最大应力Fig.4 Maximum stress of articular cartilage before and after electroacupuncture treatment at 15° flexion

膝关节运动时股骨和胫骨之间会产生很大的冲击载荷，人体在上下楼梯时，关节软骨起到重要的缓冲作用，使关节中力的传递变得均匀，又提供给关节面良好的润滑，降低了关节的磨损和骨折的发生率。图5所示为膝关节屈曲15°时正常组、KOA组和KOA+电针治疗组的各关节软骨应力分布云图。屈膝15°状态下各软骨组织应力分布的研究表明：KOA组的内外侧半月板较正常组有显著的应力集中，且分布范围更广泛，KOA+电针治疗组的内外侧半月板的应力集中明显弱于KOA组，电针治疗后，内外侧半月板最大应力较治疗前分别减小0.543和0.236 MPa，且最大应力值的范围向半月板的内侧缩小；股骨软骨最大应力值出现在KOA组，电针治疗使股骨软骨的最大应力值减小0.194 MPa，其范围向股骨软骨与半月板和胫骨软骨的接触中心处明显缩小，使力的传递相对均匀；胫骨软骨的最大应力值也出现在KOA组，电针治疗后，内外侧最大应力值分别减小0.239和0.327 MPa，其范围向外侧边缘缩小，且更趋近于正常胫骨软骨，进一步减轻了胫骨软骨的负担。总体来说，KOA病变下关节软骨的最大应力更为集中且分布范围广，这使得关节面的润滑程度和力传导的均匀性都降低，膝关节的稳定性和灵活性均受到影响；而电针治疗后，各关节软骨的应力峰值均下降，且更接近于正常状态，使膝关节的功能得到进一步改善和提高。

图5 下楼梯屈膝15°各关节软骨应力分布(每行左为正常对照，中为电针刺激前，右为电针刺激后)。(a)内半月板；(b)外半月板；(c)股骨软骨；(d)内侧胫骨软骨(e)外侧胫骨软骨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 上楼梯屈膝50°时电针治疗前后结果分析

上楼梯膝关节屈曲50°时，正常组和电针治疗前后各关节软骨的最大应力值如图6所示。研究结果表明：KOA组的内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨所受应力最大，分别达到4.27、5.94、3.03、1.88和2.12 MPa，电针治疗后各关节软骨所受应力均降低，降幅分别为5.85%、5.21%、7.56%、6.37%和5.71%，但KOA组和KOA+电针组的关节软骨应力峰值均大于正常组的值。上楼梯膝关节屈曲50°时三组实验中，各关节软骨的应力云图分布如图7所示，结果表明：KOA组内外侧半月板所受的最大应力均出现在半月板中部，KOA组的应力最大且分布范围最广。电针治疗后，内外侧半月板的应力峰值分别减小0.253和0.31 MPa，且最大应力分布范围向半月板的内侧缩小；股骨软骨的最大应力出现在KOA组，电针治疗使KOA组股骨软骨的最大应力值减小0.227 MPa，与胫骨软骨相对应位置处的股骨软骨出现较大范围的应力集中，且KOA组和KOA+电针组的最大应力均大于正常组的最大应力；内外侧胫骨软骨的应力峰值也出现在KOA组，应力集中区域分布在内外侧胫骨软骨的中间偏后位置，在上楼梯膝关节屈曲50°时，股骨产生向后位移，膝骨性关节炎增加了患者膝关节的承载负担。电针治疗后，内外侧最大应力值分别减小0.112和0.122 MPa，且应力分布范围进一步缩小。总体来说，经过电针治疗，患病膝关节各关节软骨的应力峰值趋向于正常状态，膝关节的功能状况有所改善，患者的登梯活动能力得到提高。

图6 上楼梯屈曲50°电针治疗前后关节软骨的最大应力Fig.6 Maximum stress of articular cartilage before and after electroacupuncture treatment at 50° flexion

图7 上楼梯屈膝50°各关节软骨应力分布(每行左为正常对照，中为电针刺激前，右为电针刺激后)。(a)内半月板；(b)外半月板；(c)股骨软骨；(d)内侧胫骨软骨；(e)外侧胫骨软骨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 讨论

本研究基于膝关节CT和MRI图像数据，建立了人体膝关节上下楼梯屈曲15°和50°时的三维模型，通过人体上下楼梯运动实验，获取膝关节承受的相应载荷，模拟两种屈膝角度下健康状态、电针治疗前后内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨的应力分布情况，分析电针治疗对KOA患者膝关节内部各软骨组织应力分布的影响。结果表明：电针治疗前，股骨软骨、内外侧胫骨软骨和内外侧半月板的最大应力值较正常时增大了0.32～1.05 MPa；电针治疗后，膝关节内部软骨内外侧应力值均降低，软骨的损伤得到减缓，内外侧半月板的承载能力在一定程度上恢复，接近于正常膝关节的负重。用电针治疗膝骨性关节炎患者，其上下楼梯运动膝关节屈曲15°和50°的结果分析表明：各组力学轴线相应地向内侧偏移，关节内侧软骨及半月板比外侧受到的负荷大，应力的集中致使内侧关节软骨面磨损严重，这与临床上内侧型膝骨性关节炎患者多于外侧型患者的现象相符合。电针疗法可恢复软骨吸收关节应力的能力，减缓半月板不正常退化的可能，有效改善膝骨性关节炎患者的应力集中问题，为临床治疗数据的分析和评价提供理论依据。

三维有限元分析发现，电针治疗后KOA患者膝关节内外侧半月板应力降低，同时登梯运动中膝关节内外侧半月板应力比值从原来的1.40降低至1.27，下梯运动中降低至1.24。这说明，电针治疗KOA可以缓解关节疼痛，同时也降低了膝关节内部的应力峰值，可能改善了内外侧半月板的应力分布情况，从而缓解了KOA的发展，这与临床对电针治疗效果的肯定[34]相吻合，从理论上证明了电针治疗KOA的有效性。Jiang等[35]的研究发现，KOA患者内外侧半月板的应力峰值均大于正常膝关节的值，同时内、外侧应力比值也大于正常膝关节的值，说明应力较为集中的内侧半月板承受负重更大，也更容易受到磨损，与临床情况相符。本次研究中，在对电针治疗前后进行应力分析时，所选取的特征均为其在整个步态周期中地面反作用力最大的时点，在对膝关节矢状面角度进行模拟后，再加载地面反作用力，通过有限元分析，模拟此种工况下膝关节内部各软骨组织的应力改变情况，Reeves等[36]指出，膝关节内收力矩可以作为膝关节内侧间室压力的一种可替代指标，从而间接反映膝关节间室内的生物力学环境。因此，人在步行中膝内侧间室长期存在较大的应力，导致膝骨性关节炎为中又以内侧间室膝骨性关节炎常见[37]，这与本文内侧半月板压应力大于外侧应力相一致。同时，Tung等[38]发现，KOA患者呈现膝伸肌力矩削弱，是由于外伤等原因导致下肢髋、膝、踩稳定性的异常改变，女性患者长期穿高跟鞋导致下肢力线改变，肥胖等原因导致关节负重增加或应力增加，这些生物力学因素的变化也可能是KOA发生的重要原因[36], 将是未来KOA相关预防机制研究的方向。

本研究的不足之处在于，建立的膝关节三维有限元模型其韧带的材料赋值以线性材料代替，使得韧带的材质特性与真实情况存在一定差距，后续研究可根据屈曲15°和50°的医学图像数据，考虑使用非线性材料对韧带进行赋值。同时，膝关节的运动受肌肉影响较大，登梯运动时膝关节所承受的冲击载荷不同，肌肉产生的载荷也各不相同，而且冲击力的加速度会使肌肉的力量增加，肌肉在膝关节屈伸模型中具有十分重要的作用。因此，在膝关节三维有限元模型中加入肌肉，可以提高模型的计算精确度，使计算结果分析更加符合实际情况，但前提条件是能够测试出相关肌力。此外，本研究采用非经非穴浅刺法作为对照组，一定程度上降低了针刺对膝骨性关节炎的作用效应，但仍存在影响电针法实际疗效对比的可能；在膝关节上下楼梯运动的过程中，受力情况复杂多变，不仅受到重力作用，还有髌腱拉力、膝关节惯性力、地面支反力、胫骨平台上的关节力等的作用[39]。在后续的研究中，需要考虑多种载荷的作用，研究膝关节模型的生物力学特性，从而获得更加全面的生物力学数据，更好地为电针治疗疗效的验证提供理论依据。

4 结论

电针治疗膝骨性关节炎，能有效改善膝关节内部软骨的压应力，使关节内力平衡得到恢复，延缓关节软骨退变，促进关节软骨的修复，电针治疗下膝关节生物力学特性的研究，可为膝关节的临床治疗和评价提供初步的理论分析依据。在本研究中发现，相对于治疗前，电针疗法的施治对关节应力的影响较大，提示临床医师可从膝周穴位着手，辅以手法推拿、针灸治疗等中医疗法，或可减轻关节内的高压应力，延缓软骨退变，改善临床症状。