三維有限元分析在前交叉韌帶重建中的應用研究進展

楊驍 李彥林 劉德建 陳泳佳 何映紅

昆明醫科大學第一附屬醫院運動醫學科（昆明650032）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷常見于體育愛好者中，ACL 斷裂在普通人群中的發病率約為1/3000，在運動員等進行高強度訓練的職業人群中發病率為60/10000[1]。ACL 解剖重建術被認為是治療ACL 撕裂最有效的方法[2]。膝關節是人體最復雜的關節，主要功能為屈伸、旋轉等運動，膝關節的解剖結構和運動功能決定了它的生物力學特性。前交叉韌帶是維持膝關節生物力學穩定性的重要結構之一[3]，單獨分析前交叉韌帶的生物力學特性時不可脫離整個膝關節，而傳統實驗力學研究已經逐漸走到瓶頸，而三維有限元分析（three-dimensional finite element analy?sis，3D-FEA）憑借在生物力學研究中的自身固有優勢[4]，打破了傳統實驗的局限性，被逐漸用于膝關節問題的研究。本文對3D-FEA 在前交叉韌帶重建中的應用進行綜述，以利于指導ACL重建術的改進。

1 膝關節有限元模型的建立

要進行前交叉韌帶相關的生物力學有限元分析，需要建立完整的膝關節有限元模型。通常的步驟包括：①運用CT 和MRI 進行薄層掃描，獲取DICOM 格式的膝關節原始圖像數據；②利用mimics、3D-doctor等軟件提取數據后建立原始幾何模型；③將原始幾何模型導入Hypermesh、Geomagic等軟件中進行去噪、平滑、網格化等有限元前處理；④將模型導入ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件中，定義各組織材料屬性和賦值、設定邊界約束及負荷；⑤進行有限元分析和求解。膝關節數據的采集一般可利用三維激光掃描法和斷層掃描成像法，目前主要運用CT和MRI兩種斷層掃描成像法采集數據。……