有限元分析法在膝交叉韌帶重建術中的應用

任天皓 丁育健 郭蘇童 馮德宏

前交叉韌帶(ACL)及后交叉韌帶(PCL)是維持人體膝關節生物力學穩定的重要解剖結構,其損傷及斷裂在臨床上非常普遍。交叉韌帶斷裂嚴重影響膝關節的正常生物力學[1]。ACL重建術及PCL重建術是目前臨床上治療交叉韌帶損傷的金標準[2]。有限元分析方法是用較簡略的問題替代復雜的問題,然后進行求解得出精確的結論的一種方法。Brekelmans等[3]首次將有限元分析法應用于矯形外科學的生物力學研究,探討股骨內部應力分布。目前,有限元分析方法在骨科中的應用不斷發展,在運動醫學、關節與矯形醫學等專業發揮其特有的優勢。

一、人體精細膝關節三維有限元模型的建立

目前,眾多的學者已運用有限元技術,通過Mimics、3D analyze、Solidworks、Geomagic Studio等軟件,構建膝關節的三維有限元模型,奠定了研究膝關節生物力學的基礎。王傲寒等[4]建立的膝關節有限元模型證明了在人體正常直立位時膝關節內側半月板所受到的剪切應力大于外側半月板。張家豪等[5]選取了10例膝關節標本,僅保留了膝關節軟組織中的半月板及ACL,建立的三維有限元模型還原了正常人生理狀態下膝關節ACL的生物應力,其研究表明,ACL的脛骨止點為一狹長的弧形,前后徑為(13.8±2.0)mm,體部左右徑為(5.3±0.6)mm,前緣左右徑為(11.5±1.2)mm。有限元分析有助于進一步細化研究膝關節各解剖結構,對膝關節不同載荷下的生物力學分析具有重要意義。大部分文獻僅研究股骨、脛骨與半月板接觸面的生物力學,對于膝關節內的前后交叉韌帶、內外側副韌帶的生物力學的研究較少,是因為CT成像數據雖然能精確構建骨結構模型,但對于軟骨、韌帶、半月板等軟組織,通過傳統的CT影像數據甚至是高分辨率的多排螺旋CT影像數據都無法清晰地重建其精確的模型[6]。相比之下,MRI成像數據可以單獨用于準確構建包括韌帶在內的各種軟組織的解剖結構模型,而不能用于準確模擬骨結構[7]。因此,單獨使用CT或MRI成像會顯著降低這些模型的準確性,導致膝關節力學分析不準確。Ren等[8]將一位志愿者的膝關節CT與MRI數據結合起來,構建出了包括前后交叉韌帶、內外側副韌帶在內的完整膝關節有限元模型,其構建的模型能模擬膝關節前后平移、外翻-內翻旋轉和膝關節內外旋轉,觀察脛骨移位或外翻角度,甚至能模擬完整內側副韌帶淺層和深層以及整體缺陷的外翻應力的大小和分布。

二、膝關節ACL損傷的有限元分析

1、ACL損傷對人體膝關節的生物力學影響:ACL斷裂會影響膝關節正常的生物力學。陳凱寧等[9]的研究表明,在ACL缺失時,內外側半月板受到的應力均會增加,其中內側半月板前角和后角在膝伸直位和屈曲位受到的應力顯著增加。包含韌帶等軟組織在內的精細膝關節三維有限元模型的建立與生物力學分析,對研究膝關節韌帶損傷及其手術方法有重要意義。目前的臨床指南表明,ACL重建術是治療膝關節ACL損傷的金標準。雖然目前的手術技術很成熟,但病人的預后并不理想,韌帶重建術后病人膝關節骨性關節炎的發病率很高。年齡小于30歲的病人因ACL損傷接受ACL重建術后,其髕股關節炎的發生時間早于正常人,發生率大于正常人[10]。這可能與傳統的ACL重建術未精準定位手術入路時的骨道角度以及移植物的股骨、脛骨放置點導致膝關節生物力學改變有關。

2、有限元分析法在ACL重建術中股骨隧道鉆孔中的應用:有研究表明,ACL重建術中的骨道與股骨縱軸的夾角越大,移植物應力越小;而骨道與股骨縱軸的夾角越小,移植物的應力越大[11]。Xiao等[12]通過有限元分析方法構建ACL重建模型,通過位移模擬重建術中移植物股骨端放置位置,得出了以下結論:股骨足跡中心的后部是移植物放置的最佳位置,其受到的應力沒有明顯的變化;而放置在股骨足跡中心的上部和下部則不被允許,其受到的應力可觀察到明顯的增加或減少。Westermann等[13]的研究結果與這一結論一致,其建立的非線性接觸有限元模型,通過評估25個不同的隧道位點,代表ACL重建術中移植物放置位置,其結果也證明了移植物應放置在股骨解剖足跡以恢復正常運動力學;當無法明確定位時,放置在位于股骨解剖足跡稍后的移植物會產生相對良好的膝關節生物力學環境,而放置在股骨解剖足跡前方的移植物在生物力學上最不穩定,脛骨前平移和移植物與脛骨的接觸壓力增加最大。

3、有限元分析法在ACL重建術中脛骨隧道鉆孔的應用:Tang等[14]認為,定位點應位于外側脛骨平臺前緣,Gerdy結節內側緣,與脛骨縱軸夾角為25°。Westermann等[13]建立了ACL的三維有限元模型,通過虛擬設置股骨、脛骨隧道角度,結果表明,脛骨隧道與脛骨縱軸的夾角與移植物的張力改變無關。從外側打脛骨隧道會增加移植物在脛骨平臺開口處的彎折角度,但是卻不會改變移植物的張力大小。在研究定位點的位置對重建的ACL的張力的影響時,Orsi等[15]建立的三維有限元模型模擬了脛骨定位點在各個方向偏移1 mm及3 mm時ACL受到的張力,結果表明,定位點向前側及前外側偏移會導致ACL張力明顯增加,定位點向后側及后內側偏移則幾乎不會改變ACL的張力。這些信息可以幫助骨科醫生更加精確地進行ACL重建或翻修,為骨科醫生在手術中定位股骨、脛骨鉆孔位置、角度、移植物的位置放置提供優化的參考意見。

4、有限元分析法在ACL重建術單束、雙束重建中的應用:在解剖學上,ACL通常分為兩束,即前內側束和后外側束。在膝關節伸直時,后外側束收縮,前內側束舒張;在膝關節屈曲時,前內側束收縮,后外側束舒張。由于ACL雙束重建術中兩個束分別模仿原始的ACL解剖及運動模式,因此,在未進行有限元分析之前,臨床醫生普遍認為雙束重建比單束重建更加穩固[16]。臨床案例的長期隨訪結果也似乎印證了這一觀點。Naghibi等[17]建立的有限元模型還原了單束及雙束重建后的膝關節,在進行了步態分析后得出,單束重建和雙束重建都能恢復膝關節的旋轉和平移運動。Halonen等[18]的回顧性研究也證明了這一結論,同時其又指出,雖然單束重建及雙束重建都能恢復膝關節的旋轉及平移運動,但單束重建后,半月板及周圍軟骨受到的應力比雙束重建更大。因此,對于一些對膝關節運動要求不高的人群來說,選擇單束重建基本能滿足病人對日后膝關節活動的需求;而對于那些對膝關節運動要求很高的人群,臨床上應盡可能選擇雙束重建術來使膝關節恢復更高程度的生物力學穩定狀態。

5、有限元分析法在ACL重建術中移植物選擇的應用:目前臨床上通常采用自體肌腱或者同種異體肌腱作為ACL重建術的移植物。移植物的應力分布情況與病人的預后有顯著的相關性。自體肌腱移植多采用自體骨-髕腱-骨(BPTB)及半腱肌-股薄肌(STG)兩種方法。BPTB移植方法的優點在于移植物的高拉伸負荷、高剛度以及骨對骨固定愈合更好。STG移植方法的優點在于創傷更小[19]。但由于自體肌腱移植的二次創傷問題的存在,目前越來越多的臨床醫生開始選擇同種異體肌腱作為移植物進行韌帶重建術。Ren等[20]在建立的同種異體肌腱模型上進行受力分析,結果表明,ACL移植物的拉應力在后股骨端最大,壓應力、剪切應力及等效應力均在前股骨端最大。移植物的應力分布情況與完整ACL接近,同種異體肌腱移植術能恢復正常膝關節的功能活動。因此,選擇自體肌腱與同種異體肌腱對病人的預后并無統計學差異。此外,ACL的大小因人而異,研究表明,選擇的移植物的直徑會影響膝關節的應力,ACL直徑越大,應選擇直徑越大的移植物,ACL直徑增加10%,相應的移植物直徑應增加3 mm,才能恢復正常的膝關節應力。

三、膝關節PCL損傷的有限元分析

雖然PCL損傷的病人膝關節生物力學不穩定較ACL損傷病人少,但PCL損傷的病人也常有膝關節前部疼痛及爬樓梯困難等預后不良。Logan等[21]使用MRI評估了蹲姿時PCL破裂對脛骨、股骨運動的影響發現,PCL缺失與內側半月板切除術相似,導致脛骨內側平臺后半脫位,與對側膝關節相比,PCL缺陷膝關節的跑步和爬樓梯的擺動和早期站立階段的前后運動和運動速度增加。但最新的研究表明,PCL損傷可能對外側副韌帶的影響較大。謝強[22]重建了PCL缺失的有限元模型,模擬膝關節屈曲,膝關節ACL及內側副韌帶受到的應力較小,而外側副韌帶受到的應力較大。這也解釋了為何PCL損傷病人常常繼發外側副韌帶的損傷。

PCL由前外側束(ALB)和后內側束(PMB)組成。由于ALB的強度,PCL重建主要集中在該束的重建。然而,體外研究已經證明了這兩種神經束在膝關節功能中的重要性。Yoon等[23]研究表明,這兩個束有助于整個膝關節活動范圍的后路穩定性。雖然ALB在屈曲時很緊,但PMB在屈曲時更水平定向,從而能更好地抵抗脛骨后平移。Yoon在之后又建立了包括股骨、脛骨、軟骨、半月板、膠原纖維和四種主要韌帶在內的下肢三維有限元模型,并模擬單束重建、雙束重建和雙束增強模型,在施加生理應力后,雙束增強模型具有最大的旋轉穩定性。所以,雙束重建術更能還原PCL的生物力學和解剖學,因此,目前臨床上PCL雙束重建術更為普遍。PCL雙束重建術通常采用各束止點中心定位法,即將隧道定位于ALB與PMB股骨止點的中心點,而這個中心點并不是移植物的等長點。因此,其生物力學與正常的膝關節生物力學存在差異。李永獎[24]構建了PCL的雙束重建術的有限元模型,通過對移植物各個點的力學分析,得出了股骨側只有三個點可以作為等長重建點(即PCL ALB后點、近點和PMB近點),其在膝關節屈曲時位移在2 mm以內,可以作為PCL重建術股骨側參考定位點。

雖然國內外有關膝關節的三維有限元分析的研究已有很多,但對于將膝關節周圍韌帶考慮在內的精細膝關節模型的研究依然不充分。運用有限元分析方法構建一個更加高質量的精細膝關節模型對于研究膝關節韌帶損傷的運動醫學至關重要。將多排螺旋CT及MRI數據結合起來構建精細膝關節模型似乎是一個可以嘗試的解法。此外,目前所及的研究大部分僅限于在計算機上構建有限元模型,通過數據分析膝關節損傷的應力,然后直接運用于臨床,而在三維有限元技術輔助下,是否能影響膝關節骨折的愈合、韌帶的修復等,是否能給患者帶來好的預后,幾乎依靠術后隨訪所得。若能將其技術先運用于細胞實驗、動物實驗,將會給臨床醫生運用有限元技術治療疾病帶來更大的信心。