定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析

许苑晶, 高海峰, 吴云成, 柳毅浩, 张子砚, 黄承兰 王赞博, 刘同有, 王彩萍, 缪伟强, 王金武,

(1. 上海交通大学医学院附属第九人民医院 骨科, 上海 200011; 2. 上海交通大学 生物医学工程学院,上海 200030; 3. 徐州医科大学 医学影像学院, 江苏 徐州 221004;4. 上海体育学院 运动科学学院,上海 200438; 5. 潍坊医学院 康复医学院, 山东 潍坊 261053)

膝骨关节炎( KOA)是一种以膝关节软骨的变性、破坏及骨质增生为特征的慢性退行性骨关节疾病,多见于60岁以上的老年人,是影响老年人健康的最常见关节疾病之一[1].主要由年龄增长、劳损、肥胖、创伤等造成的膝关节生物力学异常引起,临床表现多为缓慢进展的关节疼痛、肿胀、活动受限甚至畸形的退行性病变[2-3].膝关节的解剖特性和生理承载功能使其成为最易损伤和退变的关节之一[4],发病可出现明显的力学异常,如下肢力线偏移、患侧间室间隙减小、负荷增大,降低了患者运动过程中关节的稳定性,导致行动不便.

目前KOA传统治疗方法包括物理治疗、药物治疗、手术治疗及膝关节矫形器治疗等,相比创伤较大的手术治疗、物理治疗或药物治疗等方式[3],膝关节矫形器通常是依靠三(四)点力学原理矫正膝关节的异常下肢力线.本文采用了上海第九人民医院王金武团队研发的增材制造(AM)膝关节矫形器,AM俗称3D打印,是通过数字控制利用逐层堆积的方式制造物体的技术.随着计算机技术的发展,3D打印在个性化矫形器的应用日益广泛.AM膝关节矫形器在减轻支具重量、提升佩戴舒适度的同时,通过对膝关节两侧分别施加不同大小的轴向拉伸力,矫正力线,减轻患者患侧负荷,对对侧局部减荷,提高临床治疗效果,给患者带来良好的康复体验.

有限元分析符合人体生物力学研究的无创性和可视化要求,是目前针对KOA最有效的研究方法之一[5-6].鉴于国内外有限元文献存在实验模型简单、患侧研究缺乏等问题[7],构建包含下肢皮肤组织、骨骼、韧带等KOA患侧膝关节-矫形器整体有限元模型,进行力学仿真分析,评估定制式AM膝关节矫形器对膝关节间室的减荷效果.

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

硬件设备为飞利浦PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT机(飞利浦公司,荷兰),由上海交通大学第九人民医院影像科提供;Structure Sensor便携式扫描仪(Occipital,美国).

软件设备为Mimics21.0(Materialise公司,比利时);CATIA P3 V5-6R2020(达索公司,法国);Geomagic Wrap 2021( 3D Systems公司, 美国);Ansys Workbench 2020 R2(ANSYS公司,美国);MATLAB R2021b(MathWorks公司,美国).

1.2 实验对象

选择一名患有KOA的女性志愿者,年龄71岁,体重60 kg,使用CT机对实验对象膝关节进行扫描,在扫描成像过程中使其膝关节处于非负重位,足趾垂直于水平面,保持髌骨在上,最终得到层厚为0.625 mm、大小为512像素×512像素的下肢全长图像.实验对象在试验前充分了解试验可能带来的风险并签署知情同意书,且获得上海交通大学医学院附属第九人民医院医学伦理委员会的批准.

1.3 实验过程

1.3.1建立膝关节-矫形器整体三维模型 将膝关节CT数据导入Mimics,利用蒙板工具、灰度测量、阈值选择、区域增长等操作逐步提取出膝关节股骨、胫骨、腓骨、髌骨的轮廓.三维重建膝关节各部分几何模型后,将其以STL格式导入 Geomagic Wrap 软件进行精确曲面处理,结合三维快速扫描仪获得患者下肢患侧膝关节体表点云数据,通过编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面等操作分别对各部件点云数据进行加工处理,完成模型修整及曲面生成[8],通过参数交换将STL格式转为三维图形文件的STP格式导入Catia,并对数据进行三维实体建模.利用三维建模软件Catia进行布尔运算、草图绘制、拉伸等操作,实体构建包含大腿袖、小腿袖、软垫、绑带和关节铰链等结构的定制式AM膝关节矫形器.由于在CT图像中软组织显示界限不清,故关节软骨和内外侧半月板利用Catia在CT资料的显影基础上基于膝关节解剖特点三维重建形成实体模型[9-10].将各部件装配成型后,重建的膝关节及膝关节-矫形器整体三维模型如图1和图2所示.

图1 完整全膝关节三维模型Fig.1 Complete 3D model of knee joint

图2 膝关节-矫形器整体三维模型Fig.2 Overall 3D model of knee joint-orthosis

1.3.2建立膝关节-矫形器整体有限元模型 将STP格式的膝关节-矫形器实体模型导入到有限元软件Workbench静力学模块中进行布尔操作,根据既往有限元模型的韧带参数设定[11],本研究将韧带定义为仅承受拉伸应力的各向同性线弹性材料,以弹簧单元代替基于韧带起止点的应力牵拉.由于矫形器的绑带仅受拉伸应力影响,故也以弹簧单元代替.韧带包括前外侧副韧带、后外侧副韧带、内侧副韧带、前交叉韧带、后交叉韧带、髌骨韧带.根据膝关节解剖学及骨骼肌肉系统的特征及形态[12-13],确定膝关节各条韧带的附着点位置,最终得到膝关节及膝关节-矫形器整体有限元模型如图3和图4所示.膝周主要韧带的刚度系数如表1所示.

表1 膝周主要韧带刚度系数Tab.1 Parameters of major ligaments around knee

图3 完整全膝关节有限元模型Fig.3 Overall finite element model of lower limbs

图4 膝关节-矫形器整体有限元模型Fig.4 Integral finite element model of knee joint-orthosis

1.3.3材料属性 参考Koh等[14]和Pierrat等[15]相关研究,将下肢皮肤、各个关节软骨和半月板视为各向同性线弹性材料.实验主要关注膝关节关节软骨和半月板的受力情况和相对运动,不考虑骨骼的负荷性形变,因此在实验加载过程中将骨骼部分定义为均匀各向同性材料,矫形器的大、小腿壳体设为聚酰胺,关节铰链设为铝合金,软垫设为聚氨酯,具体数值如表2所示.

表2 骨骼、软骨、半月板及矫形器的材料属性

1.3.4边界、加载条件和网格划分 使用Workbench软件设置膝关节各结构的相互作用、边界条件以及载荷,根据实验加载条件设置以下接触区.

膝关节:软组织与胫骨、腓骨、股骨、髌骨、股骨软骨间各设1个接触对,内外侧胫骨软骨与内外侧半月板间设2个接触对,股骨软骨与内外侧胫骨软骨间设2个接触对,胫骨与腓骨间设2个接触对,胫骨与胫骨软骨间设2个接触对,股骨软骨与股骨间设1个接触对,共14对,均定义为绑定接触;股骨软骨与内、外侧半月板、胫骨及髌骨,共4对,定义均为无摩擦接触.由于对称接触观察接触面的压力值不是正确压力值,非对称接触观察接触面的压力值为真实接触面压力值,故除胫腓骨(2对)为对称行为外,其他接触行为皆为非对称行为.

矫形器:大腿壳体与上软垫及上支关节铰链、软组织与软垫、小腿壳体与下软垫及下支关节铰链(共8对),均定义为绑定接触;上下支关节铰链、软组织与绑带(共4对),定义均为无摩擦接触.除上下支关节铰链(2对)为对称行为外,其他接触行为皆为非对称行为.

股骨的6个自由度不受约束,固定胫腓骨,将边界条件设置在胫骨远端和腓骨远端,固定6个自由度.赵春霞等[16]研究表明,在矫形器内衬材料一定的情况下,矫形器的上铰链受到的压力越大, 矫形器的减荷能力越大.故在膝关节矫形器模型患侧的铰链连接部位施加-100 N的轴向载荷,在健侧施加 -10 N 的轴向载荷,以此模拟矫形器撑开膝关节的矫正作用.根据Park等[17]研究,在股骨近端沿下肢负重轴方向施加 1 100N (约2倍重力)的压缩载荷,以此对比佩戴定制式增材制造膝关节矫形器前后的膝关节生物力学变化.最后对膝关节及矫形器进行网格划分,单元类型为二阶四面体单元,具体单元数和节点数如表3所示.根据文献[7,18]可知,目前大多数膝关节有限元研究中模型未经过网格收敛测试,有关此类有限元分析常利用对比其他文献中实验数据的方法来代替网格收敛性检查,本文模型大部分部件单元数和节点数已超越张刘会等[19]研究内模型各部件数目,且网格更为精细,故可以证明本实验网格收敛性.

表3 膝关节-矫形器整体模型的各部件单元数和节点数

2 结果

2.1 膝关节Von Mises应力和位移

Von Mises应力[20]是一种等效应力,是根据第四强度理论得到的当量应力,为综合概念,考虑了第一、第二和第三主应力,可以对疲劳、破坏等进行评价.Von Mises应力可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化,从而使研究者快速确定模型中的最危险区域.Von Mises应力根据3个方向的主应力计算得到,计算公式为

σ=

(1)

式中:σ1,σ2,σ3分别为第一、第二和第三主应力.本实验采用Von Mises应力对比佩戴定制式AM膝关节矫形器前后的膝关节生物力学变化.

对膝关节施加2倍重力沿下肢负重轴方向的压缩载荷作用, 两种情况下膝关节的Von Mises应力分布如图5和图6所示.其中,A1～E1分别为股骨软骨,内、外侧半月板,内、外侧胫骨软骨,A2～E2分别为股骨软骨,内、外侧半月板,内、外侧胫骨软骨.未佩戴矫形器和佩戴矫形器两种情况下股骨软骨,内、外侧半月板和内、外侧胫骨软骨最大Von Mises 应力分别为 0.62与0.14、0.98与0.55、0.007 6 与 0.054 1、0.44与 0.14、0.000 3 与 0.012 3 MPa.其各部位软骨、内外侧半月板分布最大Von Mises应力值分布的整体情况与文献[9,21]中有限元分析结果较为接近.分布上,未佩戴矫形器情况下股骨软骨最大Von Mises应力分布于股骨后侧及与半月板接触位置,内侧半月板主要分布于中部以及前后角位置,外侧半月板主要分布在前角位置,胫骨软骨应力主要分布于内部的中心及与半月板接触位置.佩戴矫形器情况下股骨软骨最大Von Mises应力主要分布于内侧与半月板交接部位,其余部位最大应力分布明显由内侧向外侧转移,达到较平衡状态.位移方面,佩戴矫形器前后情况下膝关节股骨相对于胫骨前向上的位移分别为13.96和0.59 mm,股骨前移状态有明显改善,关节间的稳定性增强.

图5 未佩戴矫形器时股骨软骨、内外侧半月板、内外侧胫骨软骨的VonMises应力云图Fig.5 VonMises stress cloud map of femoral cartilage, medial and lateral meniscus, medial and lateral tibial cartilage without orthosis

图6 佩戴矫形器时股骨软骨、内外侧半月板、内外侧胫骨软骨的VonMises应力云图Fig.6 VonMises stress cloud map of femoral cartilage, medial and lateral meniscus, medial and lateral tibial cartilage when wearing orthosis

2.2 两种情况下的膝关节内翻角度

膝内翻角度[22]定义为股骨机械轴与胫骨机械轴形成的夹角(取锐角),其中股骨机械轴为股骨头中心至膝关节中心的连线,胫骨机械轴为膝关节中心与距小腿关节中心的连线.从生物力学的角度分析,KOA的发生与膝关节下肢力线的改变有关.当发生膝内翻时,重力线至膝中心向内偏移,从而导致内侧间室的压力增大.Zhang等[23]认为膝关节内收力矩是最可能反映内翻力线、衡量内侧间室负荷的较理想指标.内收力矩的产生源于向内重力的反作用力,如膝内翻的角度增加,下肢力线发生偏移,会导致内收力矩增加,内侧间室压力增加.故基于文献[23]中研究,本实验采用膝内翻倾角作为研究膝关节内侧间室压力的依据.

将Mimics构建好的膝关节STL格式模型文件导入Catia软件,对股骨模型进行股骨头截取,将截取部分拟合成球体生成球心即股骨头中心,再通过切片方式,对股骨底部完成切片实体化,选取切片中心部位最接近中心点的两点连线生成中点,即髁间窝中心,将髁间窝中心设为膝关节中心[24].将胫骨三维图像拟合,先获得拟合圆柱体再获取拟合圆柱体的中心线,该中心线为两点连线的线段.获取胫骨上端隆突点后将拟合圆柱体的中心线平移,使其通过胫骨上端隆突点,得到胫骨机械轴线[25],即可找出膝关节中心和距小腿关节中心点,如图7所示,图中α为膝内翻角度.

图7 膝内翻角度测量示意图Fig.7 Schematic diagram of knee varus angle measurement

记录4个中心点的具体坐标,在膝关节有限元模型中分别通过对股骨、胫骨进行X、Y、Z轴的定向位移,评估所有结果后,将位移结果导入MATLAB,利用克莱姆法则得到4个中心点邻近坐标,通过反三角函数运算得出轴间夹角,测出佩戴矫形器前后情况下膝关节内翻倾角分别为7.84°和6.65°.

3 讨论

3.1 定制式AM膝关节矫形器治疗优势

常见KOA的治疗方式包括物理治疗、药物治疗以及手术治疗.物理治疗及药物治疗虽可以一定程度减轻患者的疼痛,但不能改变患者步行中异常的膝关节受力方式,即未矫正下肢力线的偏移,故治疗效果不甚理想;手术治疗主要针对中晚期KOA患者[26],但创伤较大且花费昂贵难以被广泛接受.目前,膝关节矫形器作为一种新型的治疗方式因其无创伤、能有效减轻疼痛且花费较低被广泛运用于早、中期KOA的治疗.膝关节矫形器可有效改善临床症状并提高膝关节的稳定性,对常规治疗无效及因各种原因不能接受手术治疗的KOA患者也有较好疗效[27-28].常见膝关节矫形器包括三(四)点力式与整体免荷式.三(四)点力式膝关节矫形器依靠三(四)点力学受力原理平衡部分膝关节力矩,降低单侧软骨压力,矫正下肢力线,减轻疼痛.这种免荷方式增大患侧髁间隙,减小患侧间室负荷,但同时也增加了对侧髁的负荷,对侧腔室的间隙减小,对侧软骨承受的压力增大,软骨磨损增大.整体免荷式膝关节矫形器通过矫形器分担部分股骨对胫骨的压力,通过增大整个膝关节间室间隙,减小膝关节的整体负荷和关节软骨及骨的摩擦.该类矫形器虽然减少膝关节负荷,却未能从根本上矫正下肢力线.

传统膝关节矫形器通过石膏取模,低温热塑板材等方式进行制作,存在无力学仿真、贴合度差、不透气、不美观等问题,导致无法达到预期的康复效果,产品弃用率高.AM技术的不断发展和研究应用,逐步解决了这个问题.相较于传统康复器具,AM技术能够实现符合人体工程学、结构强度最优化及临床适应性设计的个性化要求,以提高临床矫形效果.

本文采用的定制式AM膝关节矫形器在患者的三维快速扫描模型基础上利用3D打印这种数字化三维重建及快速成型的“自下而上”技术制作成型,其治疗KOA的主要原理综合了三(四)点力式原理和整体免荷式矫形原理的特点,基于整体免荷式矫形原理提出了改进的单侧减荷式矫形原理.通过对膝关节两侧分别施加大小不等的轴向拉伸力,根据作用力与反作用力原理、杠杆平衡原理及力的分解原理,产生一个向力较小的侧方向矫正力矩,在矫正力线、减轻患者患侧负荷的同时,对对侧进行局部减荷,从而避免加剧对侧的磨损,且可根据病情通过调节关节铰链进行个性化分档治疗.该矫形器在实现个性化治疗的同时还减轻了矫形支具的质量,可以完全贴合患者皮肤表面,相比传统膝关节矫形器大幅提升了患者佩戴矫形支具时的舒适度.

实验结果表明,KOA患者在佩带膝关节矫形器后疼痛明显减轻,膝关节稳定性明显增加,日常生活能力评分明显提高[29-30].研究表明Cooper等[31]在对膝关节进行相关有限元分析时,只直接截取单个韧带或者骨骼进行研究,没有全方位考虑膝关节的受力分布情况.Haris等[32]只对受试者健侧膝关节进行研究,缺乏对KOA患者患侧膝关节全方位受力分布情况的分析,且以往利用CT图像进行全膝关节建模的研究存在局限性:以往绝大多数膝关节有限元分析仅包含了骨骼、软骨、半月板和韧带等结构,未加入下肢皮肤组织和膝关节矫形器三维模型进行整体建模分析.本文所建模型通过分析矫形器和患者皮肤,尽可能更加真实模拟膝关节矫形器对关节之间的力传递机制,旨在通过对KOA患者在佩带定制式AM膝关节矫形器前后对膝关节的生物力学变化进行有限元分析,针对矫形器治疗效果定量化研究,深入对骨骼、软组织、矫形器的复杂相互作用的理解,进一步规范膝关节矫形器的减荷疗效评价.

3.2 提供膝关节矫形器临床治疗评价的意义

实验结果表明,佩带矫形器后膝关节内翻角及膝关节在2倍重力下的膝关节内侧间室压力均明显减小.实验发现在佩戴膝关节矫形器后患者患侧膝关节内翻角明显降低,由原先的7.84° 降低至6.65°,其标准也接近Matsumoto等[33]和Wang等[34]研究中的正常人体在步行过程中膝关节的内翻角度范围.股骨软骨 Von Mises 应力与Haris等[32]在 1 080 N 载荷下股骨软骨应力为 3.23 MPa,相比减少了 519.2%;半月板Von Mises 应力与Thienkarochanakul等[21]800 N 载荷下半月板应力为 4.81 MPa,相比减少 878.1%;胫骨软骨 Von Mises 应力与 Thienkarochanakul等[21]在 1 500 N 压缩载荷作用下胫骨软骨应力为 1.53 MPa,相比减少了 347.1%. 由此可见,正常人体与KOA患者的膝关节受力情况存在较大差距,其原因是施加载荷的不同及健患肢不同所致,相对条件下整体 Von Mises应力接近.

佩戴定制式膝关节矫形器后,内侧半月板Von Mises应力较未佩戴时降低55.6%,外侧半月板Von Mises应力增加711%,内侧胫骨软骨Von Mises 应力较未佩戴时降低30.9%,外侧胫骨软骨Von Mises应力增加4 100%,股骨软骨Von Mises应力较未佩戴时降低22.0%.膝关节内侧间室压力部分转移至外侧,使外侧压力明显增加,内侧压力明显降低.目前,上海第九人民医院王金武团队采用定制式AM膝关节矫形器治疗了本研究的实验对象,观察其佩带定制式AM膝关节矫形器后的膝关节运动学及动力学变化,通过步态实验对佩戴矫形器前后的步态数据进行测算、分析,实验数据结果初步证明,患者佩戴矫形器后,支撑相后期(膝关节承重的重要周期)膝关节外翻角增大,膝关节内侧力线向外侧转移,膝关节内侧压力降低,进一步证实了定制式AM膝关节矫形器对早、中期膝骨性关节炎患者膝关节内侧间室减荷的效果.

本实验采用有限元分析方法为内侧间室KOA患者佩带定制式AM膝关节矫形器前后的膝关节生物力学特性变化提供了客观的评价数据,阐明了定制式AM膝关节矫形器在治疗内侧间室KOA中的生物力学作用机制,更客观地反映了该矫形器的生物力学治疗效果,为评估其骨骼肌肉系统中关节的体内力学提供了依据,增强了对其功能和病理状况的理解,有效验证了对膝关节生理病变分析、设计进一步的康复方案和规范膝关节矫形器的减荷疗效评价的可行性.

3.3 偏倚或不足

本研究主要存在以下不足:样本数量单一,仅考虑膝关节主要韧带,未考虑膝关节周围肌肉组织;仅研究了施加垂直压缩载荷情况下佩带矫形器前后膝关节静态有限元模型瞬间的生物力学变化,未能对长期佩带定制式AM膝关节矫形器后膝关节所产生的生物力学变化进行对比;韧带刚度系数存在比较大的个体差异.研究表明万超等[35]在选取不同韧带刚度系数的有限元模拟中发现,除韧带外其他组织内的应力应变分布和大小变化不大,但选取不同的韧带刚度系数依旧会对有限元模拟的结果产生影响,今后在膝关节相应组织力学性能的设置、模型的构建及验证中需足够重视.

本研究重点为提供较新的研究方法进行分析,故后期会进行更多的样本试验,考虑更全面的膝关节动态有限元模型的力学仿真,进一步对比KOA患者长期佩戴矫形器后发生的改变,结合动态高速荧光双平面透视系统进行步态研究,对比评价膝关节矫形器对KOA患者的减荷效果.

4 结语

AM技术现在正以指数级的速度发展[36],其在康复辅具的应用将更加广泛. 对于早、中期的膝骨关节炎患者,定制式AM膝关节矫形器能够矫正下肢力线,减少患侧的内翻角度及间室负荷、改善患处功能并增加膝关节稳定性,为临床研究提供了重要的参考.但仍在样本数量、软组织的塑造、模型构建的差异等方面存在其局限性.尽管存在不足,但随着医疗技术的创新,KOA的有限元分析研究将会更为完善、成熟.本研究可为KOA更加精准化的诊治及膝关节矫形器减荷疗效评价的规范性提供重要参考.