有限元分析法在膝交叉韧带重建术中的应用

任天皓 丁育健 郭苏童 冯德宏

前交叉韧带(ACL)及后交叉韧带(PCL)是维持人体膝关节生物力学稳定的重要解剖结构,其损伤及断裂在临床上非常普遍。交叉韧带断裂严重影响膝关节的正常生物力学[1]。ACL重建术及PCL重建术是目前临床上治疗交叉韧带损伤的金标准[2]。有限元分析方法是用较简略的问题替代复杂的问题,然后进行求解得出精确的结论的一种方法。Brekelmans等[3]首次将有限元分析法应用于矫形外科学的生物力学研究,探讨股骨内部应力分布。目前,有限元分析方法在骨科中的应用不断发展,在运动医学、关节与矫形医学等专业发挥其特有的优势。

一、人体精细膝关节三维有限元模型的建立

目前,众多的学者已运用有限元技术,通过Mimics、3D analyze、Solidworks、Geomagic Studio等软件,构建膝关节的三维有限元模型,奠定了研究膝关节生物力学的基础。王傲寒等[4]建立的膝关节有限元模型证明了在人体正常直立位时膝关节内侧半月板所受到的剪切应力大于外侧半月板。张家豪等[5]选取了10例膝关节标本,仅保留了膝关节软组织中的半月板及ACL,建立的三维有限元模型还原了正常人生理状态下膝关节ACL的生物应力,其研究表明,ACL的胫骨止点为一狭长的弧形,前后径为(13.8±2.0)mm,体部左右径为(5.3±0.6)mm,前缘左右径为(11.5±1.2)mm。有限元分析有助于进一步细化研究膝关节各解剖结构,对膝关节不同载荷下的生物力学分析具有重要意义。大部分文献仅研究股骨、胫骨与半月板接触面的生物力学,对于膝关节内的前后交叉韧带、内外侧副韧带的生物力学的研究较少,是因为CT成像数据虽然能精确构建骨结构模型,但对于软骨、韧带、半月板等软组织,通过传统的CT影像数据甚至是高分辨率的多排螺旋CT影像数据都无法清晰地重建其精确的模型[6]。相比之下,MRI成像数据可以单独用于准确构建包括韧带在内的各种软组织的解剖结构模型,而不能用于准确模拟骨结构[7]。因此,单独使用CT或MRI成像会显著降低这些模型的准确性,导致膝关节力学分析不准确。Ren等[8]将一位志愿者的膝关节CT与MRI数据结合起来,构建出了包括前后交叉韧带、内外侧副韧带在内的完整膝关节有限元模型,其构建的模型能模拟膝关节前后平移、外翻-内翻旋转和膝关节内外旋转,观察胫骨移位或外翻角度,甚至能模拟完整内侧副韧带浅层和深层以及整体缺陷的外翻应力的大小和分布。

二、膝关节ACL损伤的有限元分析

1、ACL损伤对人体膝关节的生物力学影响:ACL断裂会影响膝关节正常的生物力学。陈凯宁等[9]的研究表明,在ACL缺失时,内外侧半月板受到的应力均会增加,其中内侧半月板前角和后角在膝伸直位和屈曲位受到的应力显著增加。包含韧带等软组织在内的精细膝关节三维有限元模型的建立与生物力学分析,对研究膝关节韧带损伤及其手术方法有重要意义。目前的临床指南表明,ACL重建术是治疗膝关节ACL损伤的金标准。虽然目前的手术技术很成熟,但病人的预后并不理想,韧带重建术后病人膝关节骨性关节炎的发病率很高。年龄小于30岁的病人因ACL损伤接受ACL重建术后,其髌股关节炎的发生时间早于正常人,发生率大于正常人[10]。这可能与传统的ACL重建术未精准定位手术入路时的骨道角度以及移植物的股骨、胫骨放置点导致膝关节生物力学改变有关。

2、有限元分析法在ACL重建术中股骨隧道钻孔中的应用:有研究表明,ACL重建术中的骨道与股骨纵轴的夹角越大,移植物应力越小;而骨道与股骨纵轴的夹角越小,移植物的应力越大[11]。Xiao等[12]通过有限元分析方法构建ACL重建模型,通过位移模拟重建术中移植物股骨端放置位置,得出了以下结论:股骨足迹中心的后部是移植物放置的最佳位置,其受到的应力没有明显的变化;而放置在股骨足迹中心的上部和下部则不被允许,其受到的应力可观察到明显的增加或减少。Westermann等[13]的研究结果与这一结论一致,其建立的非线性接触有限元模型,通过评估25个不同的隧道位点,代表ACL重建术中移植物放置位置,其结果也证明了移植物应放置在股骨解剖足迹以恢复正常运动力学;当无法明确定位时,放置在位于股骨解剖足迹稍后的移植物会产生相对良好的膝关节生物力学环境,而放置在股骨解剖足迹前方的移植物在生物力学上最不稳定,胫骨前平移和移植物与胫骨的接触压力增加最大。

3、有限元分析法在ACL重建术中胫骨隧道钻孔的应用:Tang等[14]认为,定位点应位于外侧胫骨平台前缘,Gerdy结节内侧缘,与胫骨纵轴夹角为25°。Westermann等[13]建立了ACL的三维有限元模型,通过虚拟设置股骨、胫骨隧道角度,结果表明,胫骨隧道与胫骨纵轴的夹角与移植物的张力改变无关。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,但是却不会改变移植物的张力大小。在研究定位点的位置对重建的ACL的张力的影响时,Orsi等[15]建立的三维有限元模型模拟了胫骨定位点在各个方向偏移1 mm及3 mm时ACL受到的张力,结果表明,定位点向前侧及前外侧偏移会导致ACL张力明显增加,定位点向后侧及后内侧偏移则几乎不会改变ACL的张力。这些信息可以帮助骨科医生更加精确地进行ACL重建或翻修,为骨科医生在手术中定位股骨、胫骨钻孔位置、角度、移植物的位置放置提供优化的参考意见。

4、有限元分析法在ACL重建术单束、双束重建中的应用:在解剖学上,ACL通常分为两束,即前内侧束和后外侧束。在膝关节伸直时,后外侧束收缩,前内侧束舒张;在膝关节屈曲时,前内侧束收缩,后外侧束舒张。由于ACL双束重建术中两个束分别模仿原始的ACL解剖及运动模式,因此,在未进行有限元分析之前,临床医生普遍认为双束重建比单束重建更加稳固[16]。临床案例的长期随访结果也似乎印证了这一观点。Naghibi等[17]建立的有限元模型还原了单束及双束重建后的膝关节,在进行了步态分析后得出,单束重建和双束重建都能恢复膝关节的旋转和平移运动。Halonen等[18]的回顾性研究也证明了这一结论,同时其又指出,虽然单束重建及双束重建都能恢复膝关节的旋转及平移运动,但单束重建后,半月板及周围软骨受到的应力比双束重建更大。因此,对于一些对膝关节运动要求不高的人群来说,选择单束重建基本能满足病人对日后膝关节活动的需求;而对于那些对膝关节运动要求很高的人群,临床上应尽可能选择双束重建术来使膝关节恢复更高程度的生物力学稳定状态。

5、有限元分析法在ACL重建术中移植物选择的应用:目前临床上通常采用自体肌腱或者同种异体肌腱作为ACL重建术的移植物。移植物的应力分布情况与病人的预后有显著的相关性。自体肌腱移植多采用自体骨-髌腱-骨(BPTB)及半腱肌-股薄肌(STG)两种方法。BPTB移植方法的优点在于移植物的高拉伸负荷、高刚度以及骨对骨固定愈合更好。STG移植方法的优点在于创伤更小[19]。但由于自体肌腱移植的二次创伤问题的存在,目前越来越多的临床医生开始选择同种异体肌腱作为移植物进行韧带重建术。Ren等[20]在建立的同种异体肌腱模型上进行受力分析,结果表明,ACL移植物的拉应力在后股骨端最大,压应力、剪切应力及等效应力均在前股骨端最大。移植物的应力分布情况与完整ACL接近,同种异体肌腱移植术能恢复正常膝关节的功能活动。因此,选择自体肌腱与同种异体肌腱对病人的预后并无统计学差异。此外,ACL的大小因人而异,研究表明,选择的移植物的直径会影响膝关节的应力,ACL直径越大,应选择直径越大的移植物,ACL直径增加10%,相应的移植物直径应增加3 mm,才能恢复正常的膝关节应力。

三、膝关节PCL损伤的有限元分析

虽然PCL损伤的病人膝关节生物力学不稳定较ACL损伤病人少,但PCL损伤的病人也常有膝关节前部疼痛及爬楼梯困难等预后不良。Logan等[21]使用MRI评估了蹲姿时PCL破裂对胫骨、股骨运动的影响发现,PCL缺失与内侧半月板切除术相似,导致胫骨内侧平台后半脱位,与对侧膝关节相比,PCL缺陷膝关节的跑步和爬楼梯的摆动和早期站立阶段的前后运动和运动速度增加。但最新的研究表明,PCL损伤可能对外侧副韧带的影响较大。谢强[22]重建了PCL缺失的有限元模型,模拟膝关节屈曲,膝关节ACL及内侧副韧带受到的应力较小,而外侧副韧带受到的应力较大。这也解释了为何PCL损伤病人常常继发外侧副韧带的损伤。

PCL由前外侧束(ALB)和后内侧束(PMB)组成。由于ALB的强度,PCL重建主要集中在该束的重建。然而,体外研究已经证明了这两种神经束在膝关节功能中的重要性。Yoon等[23]研究表明,这两个束有助于整个膝关节活动范围的后路稳定性。虽然ALB在屈曲时很紧,但PMB在屈曲时更水平定向,从而能更好地抵抗胫骨后平移。Yoon在之后又建立了包括股骨、胫骨、软骨、半月板、胶原纤维和四种主要韧带在内的下肢三维有限元模型,并模拟单束重建、双束重建和双束增强模型,在施加生理应力后,双束增强模型具有最大的旋转稳定性。所以,双束重建术更能还原PCL的生物力学和解剖学,因此,目前临床上PCL双束重建术更为普遍。PCL双束重建术通常采用各束止点中心定位法,即将隧道定位于ALB与PMB股骨止点的中心点,而这个中心点并不是移植物的等长点。因此,其生物力学与正常的膝关节生物力学存在差异。李永奖[24]构建了PCL的双束重建术的有限元模型,通过对移植物各个点的力学分析,得出了股骨侧只有三个点可以作为等长重建点(即PCL ALB后点、近点和PMB近点),其在膝关节屈曲时位移在2 mm以内,可以作为PCL重建术股骨侧参考定位点。

虽然国内外有关膝关节的三维有限元分析的研究已有很多,但对于将膝关节周围韧带考虑在内的精细膝关节模型的研究依然不充分。运用有限元分析方法构建一个更加高质量的精细膝关节模型对于研究膝关节韧带损伤的运动医学至关重要。将多排螺旋CT及MRI数据结合起来构建精细膝关节模型似乎是一个可以尝试的解法。此外,目前所及的研究大部分仅限于在计算机上构建有限元模型,通过数据分析膝关节损伤的应力,然后直接运用于临床,而在三维有限元技术辅助下,是否能影响膝关节骨折的愈合、韧带的修复等,是否能给患者带来好的预后,几乎依靠术后随访所得。若能将其技术先运用于细胞实验、动物实验,将会给临床医生运用有限元技术治疗疾病带来更大的信心。