基于有限元生物力学模型研究前交叉韧带重建术中最佳骨道定位

宋 艳，吴 毅，晁 瑞，冯 勇，邓 旭，代 灿 (.陆军军医大学生工系数字医学教研室，重庆 40008；2.陆军军医大学教研保障中心，重庆 40008；.重庆大学附属中心医院/重庆市急救医疗中心骨科，重庆 40004)

关节镜下单束重建是前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)断裂后的标准治疗方案[1]，文献报道其与双束重建效果无统计学差异[2]。尽管关节镜下ACL单束重建技术在不断发展，但术后移植物松动、断裂等短期并发症的发生率仍较高，这主要是因为移植物处于高应力状态[3]。影响术后并发症发生的因素很多，如术中股骨道及胫骨道的角度，股骨道及胫骨道定位，移植物性质、强度、植入前预张张力，固定方法及康复锻炼方法等[4]。因ACL解剖位置的特殊性，股骨道及胫骨道定位尤为重要，较小的偏差也会影响手术效果[5]。即使按目前主流方法进行骨道定位，仍然不能避免部分移植物松弛、断裂，因此，进一步研究股骨道及胫骨道定位以减少术后并发症的发生非常有必要。本研究拟基于三维有限元生物力学模型，模拟计算ACL重建术中选择不同骨道后移植物的应力，探讨重建术中最佳骨道定位。

1 材料与方法

1.1 数据获取

选择中国数字化人体5号数据集(Chinese Visual Human 5,CVH-5)膝关节的连续横断面断层图像，CVH-5为25岁女性尸体，身高1 700 mm，体质量59 kg，横断面断层图像层厚为0.2 mm，分辨率为4 064×2 704，像素为0.12 mm×0.12 mm。标本来源符合“中国数字化人体”项目的人体捐赠计划，经陆军军医大学伦理委员会审核批准，该尸体捐赠者及其家属均签署了知情同意书。

1.2 膝关节结构的三维可视化重建

截取CVH-5的膝关节薄层高清数据集图像，导入Amira5.2.2软件中，由解剖学专家和骨科医师根据彩色图像中的自然颜色差异和组织间筋膜结构对膝关节解剖结构进行准确识别和分割，得到膝关节解剖结构的轮廓数据集，再利用Amira5.2.2软件进行三维重建，重建结构包括股骨远端及其软骨、胫骨近端及其软骨、腓骨近端及其软骨、髌骨、髌韧带、内外侧副韧带、前后交叉韧带、内外侧半月板等14个结构。

1.3 膝关节三维有限元模型的建立

使用Amira5.2.2软件将三维重建后的膝关节骨、膝周韧带等解剖结构单独导出为一个.hmascii格式的文件，然后将每一个文件导入Geomagic studio软件中，对模型进行优化、去噪，将模型表面进行松弛、平滑处理后进行模型曲面的构建，完成后将模型以IGS格式保存。

将每个解剖结构模型的IGS文件导入到Altair HyperWorks软件中，对模型的表面、模型结构的几何形状、各结构间的毗邻关系进行校准和定位，分别创建三维有限元模型；骨组织模型中皮质骨用六面体单元来模拟，松质骨则用四面体单元来模拟。半月板和软骨采用六面体实体网格来划分，半月板与胫骨平台之间采用Tied_Nodes_to_surface进行连接。建立膝周韧带的有限元模型，获得其表面轮廓点、线、面、体，得到三维模型，通过删面、补面、替换边或者压缩处理等对模型进行几何清理和合理简化，修复失真的结构，确定韧带在骨上连接的位置；韧带用六面体实体单元来进行划分，根据结构实际的解剖学接触或连接特征，逐一设置结构间的接触或连接类型及相应属性，形成可以进行生物力学仿真的膝关节三维有限元模型(图1)。

图1 CVH-5膝关节三维有限元模型构建流程

1.4 材料参数的设置和赋值

通过查阅已往的生物力学实验文献，为骨骼、软骨、韧带等不同生物特性的结构设置材料参数和边界条件。其中皮质骨、松质骨、关节软骨均定义为线弹性材料；内外侧半月板定义为超弹性材料；膝周韧带定义为超粘弹性材料(表1)。

表1 膝关节三维有限元模型中材料参数[8]

设置膝关节三维有限元模型的边界条件：将膝周韧带等软组织与骨之间的接触属性设置为共节点接触，将关节软骨与半月板之间的接触属性设置为面面接触，将关节软骨与关节软骨之间的接触属性设置为有摩擦接触，摩擦系数为0.2。

1.5 膝关节三维有限元模型验证

将膝关节三维有限元模型的INP文件导入到abaqus软件中，根据相关文献报道的生物力学实验方法固定股骨，并设置胫骨只可在前后方向的自由度上移动，在膝关节完全伸直状态下设置134 N前向力作用于胫骨，将胫骨前移程度与相关文献数据进行比较，验证该有限元模型的有效性[6-7]。

1.6 ACL重建术力学仿真

在膝关节三维有限元模型中，明确ACL股骨及胫骨止点的几何轮廓，定位止点中心点，去除ACL，其余结构保持不变。在膝关节屈曲90°时于胫骨止点中心点及与中心点间隔2 mm向前、后、内、外4个方向取点，共5个点作为移植物胫骨骨道定位点；于股骨止点中心点及与中心点间隔2 mm向前、后、上、下4个方向取点，共5个点作为移植物股骨骨道定位点(图2a)。完成股骨5个点、胫骨5个点两两组合共25组ACL重建方案的力学模拟。临床重建时移植物的直径通常为7～9 mm，平均为8 mm，故本研究移植物直径确定为8 mm，同时，沿重建移植物长轴并指向胫骨端施加222.3 N的力，模拟术中拉紧状态下固定移植物。定义胫骨为模型中固定部件，以股骨髁中点连线为旋转轴，对股骨施加转动位移载荷，模拟膝关节屈曲0°、30°、60°、90°、120°时的非负重状态，进行模拟分析计算，对不同骨道重建ACL后移植物的应力分布进行测量，计算其均值和标准差，并进行分析比较。

2 结果

2.1 膝关节三维有限元模型的建立和验证

本研究基于CVH-5膝关节的横断面断层图像建立了膝关节三维有限元模型(图2b)，准确地显示了膝关节骨及膝周韧带等解剖结构的三维形态、毗邻关系、起止点和相互间的连接关系，在此基础上建立了膝关节三维有限元模型。该模型由14个部件组成，包含股骨远端及其软骨、胫骨近端及其软骨、腓骨近端及其软骨、髌骨、髌韧带、内侧半月板、外侧半月板、ACL、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带，总计53 866个单元，精确度高，能呈现膝关节复杂的几何外型和接触关系。其中股骨的网格数量为256 267，节点数量为49 313；胫骨的网格数量为136 330，节点数量为28 044；腓骨的网格数量为24 047，节点数量为4 923；髌骨的网格数量为27 526，节点数量为6 081；髌韧带的网格数量为14 596，节点数量为11 340；内侧半月板的网格数量为1 392，节点数量为2 066；外侧半月板的网格数量为1 506，节点数量为1 008；ACL的网格数量为1 915，节点数量为7 787；后交叉韧带的网格数量为6 042，节点数量为2 631；内侧副韧带的网格数量为1 864，节点数量为6 230；外侧副韧带的网格数量为1 923，节点数量为1 630；软骨的网格数量为6 938，节点数量为14 214。

将膝关节置于伸直位，胫骨相对股骨的位移量为4.8 mm，符合文献中4.6～5.0 mm的位移量[6-7]，证明建立的膝关节三维有限元模型有效。

2.2 ACL重建术后的力学仿真

在ACL重建术后的膝关节三维有限元模型上进行力学仿真(图2c)，计算其均值和标准差(表2)。结果显示，25组骨道重建方案中，骨道移植物在膝关节屈伸活动过程中均未发生撞击，ACL重建术后骨道移植物在膝关节屈伸活动过程中所受的应力主要集中在股骨止点及胫骨止点，在股骨止点下部及胫骨止点后部形成峰值，并呈波浪状向四周逐渐减小，移植物中部所受应力相对较小(图3)。

a：ACL移植物胫骨及股骨定位点示意图；b：CVH-5膝关节三维有限元模型；c：模拟ACL重建的CVH-5膝关节三维有限元模型 T1：ACL原胫骨止点中心定位点；T2：ACL原胫骨止点中心向前2 mm定位点；T3：ACL原胫骨止点中心向内2 mm定位点；T4：ACL原胫骨止点中心向后2 mm定位点；T5：ACL原胫骨止点中心向外2 mm定位点；F1：ACL原股骨止点中心定位点；F2：ACL原股骨止点中心向下2 mm定位点；F3：ACL原股骨止点中心向后2 mm定位点；F4：ACL原股骨止点中心向上2 mm定位点；F5：ACL原股骨止点中心向前2 mm定位点图2 膝关节三维有限元模型

表2 25组骨道重建方案中移植物在膝关节0°～120°的应力均值和标准差(MPa)

a1～a5：T1-F3在0°、30°、60°、90°及120°时的应力分布；b1～b5：T4-F1在0°、30°、60°、90°及120°时的应力分布；c1～c5：T4-F5在0°、30°、60°、90°及120°时的应力分布图3 移植物在膝关节0°～120°的应力分布图

在全部25组骨道重建方案中，移植物在股骨止点的应力均值明显大于在胫骨止点的应力均值。位于T1-F2骨道的移植物在股骨止点的应力值最低，为(14.07±9.23)MPa；其次是T1-F3骨道，移植物在股骨止点的应力值为(14.11±5.38)MPa。从股骨止点应力分析，T1-F3骨道标准差更小，应力波动更小，骨道更好。位于T3-F3骨道的移植物在胫骨止点的应力值最低，为(5.64±2.58)MPa；其次是T1-F3骨道，移植物在胫骨止点的应力值为(6.30±3.22)MPa。从胫骨止点应力分析，T3-F3骨道更好，但股骨止点在ACL重建术中更重要，应优先考虑股骨止点[9-10]，故综合股骨和胫骨结果，T1-F3骨道为最佳骨道重建方案，即重建时股骨定位点为ACL原股骨止点中心偏后2 mm，胫骨定位点为ACL原胫骨止点中心。

3 讨论

3.1 基于CVH数据标本的有限元模型

在膝关节骨道定位术的生物力学实验研究中，为保证实验结果的准确性，通常不能对同一个尸体膝关节标本进行过多的隧道钻孔实验，大大增加了研究成本。本研究基于有限元模型生物力学仿真方法，不受尸体标本的限制，实验可重复性好，可在同一个有限元模型上进行多隧道建模，极大地丰富和细化了研究内容，降低了研究成本。有限元模型是一种数学力学模型，其通过将研究对象进行分割，转化为数个单元后逐个研究不同单元的性质，经软件分析后获得与实物类似的材料结构、机械性能等相关参数，从而实现对研究对象进行整体分析的目的，该方法能很好地适应膝关节复杂的几何形状、材料特性及边界条件，并可通过云图直观展示研究部位的应力分布，具有传统实验生物力学研究方法所无法比拟的优势，减少了对动物、尸体标本及活体实验的依赖[11]。

有限元研究中最重要的步骤是建立研究对象的准确三维有限元模型，既往文献报道，膝关节有限元模型的建立大多是以薄层CT+MRI扫描获取二维数据并耦合，再将二维数据经软件进行三维重建构建三维模型。CT可清晰显示骨性结构，而MRI能识别如韧带、半月板及软骨等结构，但均为灰度图像，组织边缘显示模糊，观察韧带损伤、断裂等定性数据尚可，但进行精确图像分割等定量研究时易产生较大误差，且CT+MRI的数据耦合会进一步产生误差，导致三维模型失真。CVH数据标本可代表国人平均体型，且无器质性病损，具有真彩色、无形变、高清晰度、高分辨率、薄层等特点[12-13]，较CT+MRI扫描数据优势明显，作为本研究的源数据集可使结果更为精确可信。

3.2 ACL重建手术方案的骨道定位

目前已有许多使用有限元方法进行ACL重建术的相关研究。Westermann等[14]在膝关节三维有限元模型中通过改变ACL移植物直径(范围为5～9 mm)模拟Lachman试验，并分析胫骨和股骨前后相对移位距离、半月板应力、关节软骨接触应力，结果显示，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下降。Parkar等[15]通过有限元模型发现胫骨道和股骨道与膝关节冠状面夹角成60°时可降低膝关节屈曲时的ACL移植物张力，并可最大程度地减少移植物和后交叉韧带外侧缘的撞击。Van Der Bracht等[16]在ACL重建术后通过三维有限元模型模拟pivot-shift试验发现，ACL移植物的应力峰值位于股骨止点。Westermann等[17]在有限元模型中围绕原ACL股骨止点中心向前、后、上、下、前上、前下、后上、后下建立了多种不同股骨道，并模拟Lachman试验，对比分析不同股骨道ACL移植物的应力、胫骨前移程度、软骨接触应力、内外侧半月板应力，结果显示，当ACL移植物股骨止点位于原止点中心前、前下、后下时胫骨前移程度较大，ACL移植物股骨止点位于原止点中心时软骨接触应力、内外侧半月板应力较大，ACL移植物股骨止点位于原止点中心后、下方时移植物应力最大。

ACL重建术中准确的骨道定位是术后移植物长期生存并发挥功能的决定性因素[18]，为防止移植物位置过度偏离而引起撞击和功能不佳，目前临床主流观点倾向于将移植物放置于原ACL解剖止点内，即所谓解剖重建。Arnold等[19]研究报道，ACL重建术中股骨道过于偏前常引起屈曲受限或继发性伸直位松驰；Safran等[20]研究报道，ACL重建术中股骨道过于偏后常导致伸直受限或继发性屈曲位松驰，过于垂直或正中会引起膝关节旋转不稳；胫骨道过于偏前常引起伸直位移植物与髁间窝的撞击及伸直受限，过于偏内或偏外会引起移植物与内髁或外髁的相互撞击，从而使移植物不断磨损、松弛，甚至导致移植物断裂。van Dijck等[9]和Zantop等[10]研究报道，股骨道在ACL重建术中更为重要，移植物松弛或断裂的主要原因是股骨道位置欠佳，这是因为重建后的ACL股骨止点的位置变化对移植物长度的影响比胫骨止点大；Morgan等[21]研究报道，ACL重建失败有50%是技术原因，其中有36%是股骨道位置不佳，11%是胫骨道位置不佳[4]，47.6%的ACL翻修患者存在股骨道定位不当。本研究结果显示，ACL重建术后移植物在膝关节屈伸活动中的应力主要集中在股骨止点下部及胫骨止点后部，并向四周逐渐减小，移植物实质部应力不高，表明重建后的ACL移植物在股骨和胫骨止点处受到的剪切和拉伸应力大于实质部，容易在止点处发生松弛甚至断裂；同时，股骨止点的应力均值大于胫骨止点应力均值，表明移植物在股骨止点处发生松弛的概率大于胫骨止点，股骨止点位置的轻微变化会导致应力明显变化，而胫骨止点位置的变化引起的应力变化则明显较小，提示胫骨止点定位的容错率更高，股骨止点定位的容错率更低，失败率更高，证实股骨止点在ACL重建中的重要性大于胫骨止点。这与Morgan等[21]、van Dijck等[9]和Zantop等[10]的研究结果一致。

目前ACL单束重建股骨道及胫骨道的定位仍然存在较大争议，Frerretti等[22]的研究以ACL股骨端残端中心为股骨道定位点，Kato等[23]的研究以ACL胫骨端残端中心偏后部平外侧半月板前角游离缘为胫骨道定位点，本研究中T4-F1骨道即为此骨道。本研究中T4-F1骨道移植物在股骨止点的应力为(29.17±23.06)MPa，在胫骨止点的应力为(13.94±8.35)MPa，在全部25条骨道中应力值居中，远高于本研究推荐的T1-F3骨道，这与之前的研究结果不同。本研究中T4-F5骨道移植物在股骨止点的应力为(107.11±121.20)MPa，在胫骨止点的应力为(17.39±10.16)MPa，在全部25条骨道中应力值最大，且标准差也极大，提示该骨道在膝关节屈伸过程中移植物所受应力变化明显，严重影响移植物的生存，在临床手术中应避免选择该骨道点。

本研究应用有限元模型仿真模拟方法聚焦膝关节ACL重建术中骨道定位点，屏蔽了股骨道及胫骨道的角度、移植物性质、强度、植入前预张张力、固定方法及康复锻炼方法等影响ACL重建效果的因素，获得了ACL重建术中骨道定位的最佳位置，该方法可重复性强，不依赖于实验条件，可在后续研究中进一步细化实验内容，如增加更多方向的定位点，将定位点距股骨及胫骨止点中心点的距离进一步增加或减少等。但有限元模型仿真模拟方法只是一种数字化模拟方法，目前还停留于理论层面，未来需与传统生物力学实验、动物实验、解剖学、临床随访等研究相结合，以使隧道定位研究逐渐深入和精确，为临床重建提供依据。