韋展圖，王小平，胡世鏘，陳路遙，黃道強，黃 儉，吳瑋偉，馮偉力

目前臨床治療前交叉韌帶(ACL)損傷的常用方法為關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)[1]。而關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)雖具有確切的治療效果，但存在較高的返修率、失敗率及關(guān)節(jié)退變率，對患者的膝關(guān)節(jié)功能可造成嚴重影響[2]；相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[3],脛骨隧道和股骨的定位是否精確是關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)成敗的關(guān)鍵因素。目前，臨床對關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)后半月板、關(guān)節(jié)軟骨的應力分布及生物力學特性的有關(guān)研究報道較少[4]。本研究對我科2015年4月～2017年7月收治的20例ACL重建患者資料進行分析，聯(lián)合CT與MRI影像資料重建出三維膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型，利用有限元法對ACL重建術(shù)后骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展力學機制進行探討，比較傳統(tǒng)與計算機輔助下ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)退變的風險以評估療效,報道如下。

1 材料與方法

1.1 病例選擇納入標準：① 確診為ACL損傷；② 因交通事故或運動而導致膝關(guān)節(jié)功能障礙；③ 無嚴重的心、肝、腎等功能障礙。排除標準：① 存在膝關(guān)節(jié)感染及腫瘤等病變；② 合并骨折或多發(fā)韌帶損傷；③ 病例資料不完整。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審核批準，患者或家屬簽署知情同意書。

1.2 研究資料共納入20例ACL損傷患者和10例健康志愿者作為研究對象。根據(jù)ACL重建術(shù)的不同將20例ACL損傷患者分成觀察A組(10例)、觀察B組(10例)，將10例健康志愿者作為對照組。① 對照組：男8例，女2例，年齡17～51(35.7±6.2)歲。② 觀察A組：男7例，女3例，年齡18～54(34.8±6.4)歲；病程2～10(3.4±1.2)個月；致傷原因： 2例運動損傷，8例交通事故傷；7例右膝損傷，3例左膝損傷。③ 觀察B組：男5例，女5例，年齡15～53(36.2±6.5)歲；病程1～12(3.7±1.1)個月；致傷原因：6例運動損傷，4例交通事故傷；9例右膝損傷，1例左膝損傷。觀察A、B兩組一般資料比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

1.3 方法

1.3.1對照組 采用由GE公司生產(chǎn)的GE 1.5 T超導型磁共振機對伸直且15°外旋體位患者的膝關(guān)節(jié)進行掃描；采用由SIEMENS公司生產(chǎn)的64排螺旋CT設備對側(cè)臥屈膝位患者的膝關(guān)節(jié)進行連續(xù)掃描，以完成圖像采集；然后利用患者CT與MRI的影像資料通過醫(yī)學影像重建軟件(Mimics 14.11)建立三維幾何模型，將幾何模型導入ABAQUS有限元軟件后進行網(wǎng)格劃分、賦值材料屬性、加載邊界條件等前處理，成功建立膝關(guān)節(jié)屈曲角度0°、30°、90°時的有限元模型；最后分別在ABAQUS軟件中進行運算得出膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨內(nèi)外髁軟骨以及內(nèi)外側(cè)半月板的應力分布。

1.3.2觀察A組 采用傳統(tǒng)ACL重建術(shù)，三維有限元模型建立及計算方法與對照組相同。

1.3.3觀察B組 采用計算機輔助下ACL重建術(shù)，三維有限元模型建立及計算方法與對照組相同。

以上3組建立的三維有限元模型均通過有效性驗證。

1.4 觀察指標觀察并比較3組膝關(guān)節(jié)屈曲角度為0°、30°、90°時，股骨加載350 N的軸向載荷后外側(cè)脛骨平臺軟骨、內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨外髁軟骨、股骨內(nèi)髁軟骨、外側(cè)半月板及內(nèi)側(cè)半月板的最大應力情況，以此來評估ACL損傷后不同重建術(shù)對膝關(guān)節(jié)內(nèi)應力分布的影響，以及預估因為應力分布差異帶來的膝關(guān)節(jié)退變概率[5]。

2 結(jié)果

2.1 膝關(guān)節(jié)有限元模型建立及網(wǎng)格劃分結(jié)合3組患者的膝關(guān)節(jié)CT及MRI影像資料，同時參照膝關(guān)節(jié)X線影像，建立了包含骨、軟骨、半月板及主要韌帶的3組膝關(guān)節(jié)有限元模型，所建膝關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)完整、逼真，見圖1～3。

2.2 屈曲0°時最大應力見表1。屈曲0°時，股骨內(nèi)髁軟骨受到的最大應力觀察A組大于對照組、觀察B組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，觀察B組與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。內(nèi)外側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨外髁軟骨及內(nèi)外側(cè)半月板最大應力3組比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.3 屈曲30°時最大應力見表2。屈曲30°時，內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨外髁軟骨、股骨內(nèi)髁軟骨、外側(cè)半月板及內(nèi)側(cè)半月板的最大應力觀察A組均大于對照組、觀察B組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，觀察A組與對照組比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。外側(cè)脛骨平臺軟骨最大應力3組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.4 屈曲90°時最大應力見表3。屈曲90°時，外側(cè)脛骨平臺軟骨、內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨、外側(cè)半月板及內(nèi)側(cè)半月板最大應力觀察A組均大于對照組，差異

圖1 對照組膝關(guān)節(jié)影像資料及三維數(shù)字模型 A.膝關(guān)節(jié)正位X線片； B.膝關(guān)節(jié)矢狀位MRI；C.膝關(guān)節(jié)三維幾何模型正面觀 圖2 觀察A組膝關(guān)節(jié)影像資料及三維數(shù)字模型 A.膝關(guān)節(jié)正位X線片； B.膝關(guān)節(jié)矢狀位MRI(ACL斷裂)； C.ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維幾何模型后面觀 圖3 觀察B組膝關(guān)節(jié)影像資料及三維數(shù)字模型 A.膝關(guān)節(jié)正位X線片； B.膝關(guān)節(jié)矢狀位MRI(ACL斷裂)； C.ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維有限元網(wǎng)格模型后面觀有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨、股骨內(nèi)髁軟骨及內(nèi)側(cè)半月板最大應力觀察A組均大于觀察B組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應力觀察B組與對照組比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表1 3組屈曲0°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應力比較

表2 3組屈曲30°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應力比較

表3 3組屈曲90°時膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)受到的最大應力比較

3 討論

ACL主要作用為約束脛骨的前移，是維持人體膝關(guān)節(jié)運動功能和關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要組成結(jié)構(gòu)[6]。各種交通事故及運動損傷極易導致ACL損傷，且患者ACL損傷后自愈能力較差[7]。研究發(fā)現(xiàn)，一旦患者ACL損傷后，可嚴重影響患者膝關(guān)節(jié)的力學平衡及穩(wěn)定性，造成患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)各結(jié)構(gòu)軟骨的應力升高，并超過正常人的應力范圍，最終導致患者出現(xiàn)軟骨退變及半月板損傷等較難恢復的病變[8-9]。研究顯示，為恢復患者正常的生物力學特征及穩(wěn)定性，我國通常采用關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)，以達到恢復患者膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)功能及穩(wěn)定性的目的[10]。而重建精確的ACL起止點是手術(shù)成敗的關(guān)鍵因素[11]，計算機輔助下ACL重建可準確定位脛骨隧道和股骨，達到個性化準確重建的目的。

有限元法別名為有限元素法，為離散化數(shù)值計算法的一種，其是將具有復雜彈性特征的物體當作由無限質(zhì)點集合而成的集合點，采用離散化的有限單元模型取代所研究的物體[12-13]。同時，其單元間采用節(jié)點連接，而單元間再利用節(jié)點傳力來完成相互作用，稱作節(jié)點力；待所有單元的節(jié)點及物質(zhì)特性的邊界條件及載荷確定后，經(jīng)節(jié)點與節(jié)點位移之間存在的關(guān)系，利用其關(guān)系式計算得出所有單元的剛度矩陣[14]。而所有單元的剛度矩陣通過集合，進而組成構(gòu)件總剛度矩陣，再將其利用數(shù)學形式進行表達。有限元分析研究在現(xiàn)代力學、數(shù)學及計算機學等領(lǐng)域均具有較深涉及，亦屬于物理數(shù)學方法的一種。本研究中，利用此法可明確患者ACL起止點的角度、部位及位置[15]；建立具有優(yōu)良交互界面的虛擬三維模型，使手術(shù)醫(yī)師充分模擬手術(shù)及展開術(shù)前規(guī)劃，并對患者的臨床應用進行有效指導，由此可提高定位隧道位置的準確性及減少手術(shù)并發(fā)癥[16-17]。

本研究結(jié)果顯示，正常膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)間室應力大于外側(cè)間室，導致內(nèi)側(cè)間室磨損較外側(cè)間室嚴重，可引起膝內(nèi)翻畸形的骨性關(guān)節(jié)炎，與臨床膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎多呈內(nèi)翻畸形相符，證明所建立的膝關(guān)節(jié)有限元模型具有可靠性。從ACL重建術(shù)后患者膝關(guān)節(jié)應力分布中可以看出，膝關(guān)節(jié)峰值應力也主要集中在內(nèi)側(cè)間室，提示未來膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的退變可能較外側(cè)間室嚴重，引起膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形。由此證明，ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)間室應力分布不均可能是導致膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生的主要原因。

本研究對比3組在350 N軸向載荷下，膝關(guān)節(jié)屈曲0°、30°、90°時各結(jié)構(gòu)受到的應力分布情況，采用傳統(tǒng)ACL重建術(shù)患者的膝關(guān)節(jié)半月板及軟骨所受到的最大應力均大于計算機輔助下ACL重建術(shù)的患者及健康志愿者，表明傳統(tǒng)ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)應力增大，可能導致膝關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨磨損的加速，存在較高的骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生風險；而采用計算機輔助下ACL重建術(shù)患者的半月板及軟骨所受到的最大應力與健康志愿者比較差異無統(tǒng)計學意義，進而證明計算機輔助ACL重建手術(shù)可恢復患者半月板及軟骨的生物力學特性，并降低患者術(shù)后關(guān)節(jié)損傷及退變概率。

綜上所述，CT與MRI三維重建模型直觀、逼真，充分包含患者膝關(guān)節(jié)各個重要結(jié)構(gòu)，可有效觀察患者膝關(guān)節(jié)不同受力及運動狀態(tài)下的生物力學特性，并通過有限元法分析發(fā)現(xiàn)，計算機輔助ACL重建手術(shù)治療效果顯著，可有效恢復患者半月板及軟骨的生物力學特性，降低患者術(shù)后關(guān)節(jié)損傷及退變概率，值得臨床推廣。