基于虛擬與仿真輔助下前交叉韌帶重建及有限元分析

【摘要】 目的 探索基于3D虛擬仿真輔助下前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）精準化重建對ACL損傷患者快速康復的臨床價值。方法 選取珠海市人民醫院收治的60例ACL損傷患者作為研究對象，隨機將患者分為A組和B組，各30例，另選取30名健康成年人為C組。2組患者術前及術后均進行CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查評估，A組采用傳統ACL重建治療方案，B組在A組的基礎上采用計算機輔助下ACL重建治療，C組為30名健康成年人進行對照。利用有限元法測算A組和B組術后膝關節有限元模型在350 N 軸向載荷下屈曲0°、30°、90°時膝關節內外側間室應力分布情況，并與相同條件下的C組（健康對照組）模型進行對比，比較2種ACL重建方法的臨床療效。結果 屈曲0°時，A組股骨內髁軟骨受到的最大應力大于B組和C組；屈曲30°時，A組內外側半月板、股骨內外髁軟骨、內側脛骨平臺軟骨最大應力大于B組和C組；屈曲90°時，A組股骨內髁軟骨和內側半月板、脛骨平臺軟骨最大應力大于B組，內外側半月板、脛骨平臺軟骨最大應力大于C組，差異有統計學意義（P＜0.05）。結論 借助虛擬與仿真輔助下的ACL重建手術可以恢復半月板和軟骨的生物力學性能，進而減小患者術后關節損傷和退化風險。

【關鍵詞】 前交叉韌帶損傷；3D虛擬仿真；有限元模型

文章編號：1672-1721（2025）03-0065-04" " 文獻標志碼：A" " "中國圖書分類號：R687.4

ACL損傷是膝關節運動系統中常見且復雜的損傷之一，不僅會導致膝關節不穩定，還會顯著影響患者的運動功能和生活質量，通常需要手術干預以恢復膝關節的穩定性和功能[1]。傳統的ACL重建手術已被廣泛應用，借助它可以恢復膝關節的穩定性和功能[2]。盡管手術技術不斷進步，但術后效果和康復過程仍然受到多種因素的影響，包括手術精度、術后康復和個體差異等。隨著醫學影像技術和計算機科學的進步，虛擬與仿真技術逐漸被引入到ACL重建領域，這些技術不僅能夠提供高精度的膝關節三維模型，還能模擬不同手術方案下的生物力學行為，為手術規劃和評估提供了新的工具[3]。虛擬與仿真技術通過對患者個體的三維建模和有限元分析，能夠模擬術后膝關節在不同載荷下的應力分布情況，從而幫助醫生優化手術方案，提高手術精度和效果[4]。此外，有限元分析是一種強大的數值模擬工具，被廣泛應用于工程和生物醫學領域，它是將復雜的結構分解為有限數量的元素，從而在計算機上模擬在各種條件下的行為[5]。在ACL重建手術中，有限元分析可以精確模擬膝關節在不同屈曲角度和載荷條件下的應力和力學反應，幫助評估手術后的生物力學效果，并預測可能的并發癥。本研究旨在結合虛擬與仿真技術，通過建立高精度的膝關節三維模型，并運用有限元分析，系統評估基于計算機輔助的ACL重建手術與傳統手術方法在術后效果上的差異，為ACL損傷的治療提供更加精準和科學的指導，進而提升臨床治療效果和患者的生活質量，報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取珠海市人民醫院收治的60例ACL損傷患者作為研究對象，隨機將患者分為A組和B組，各30例。A組男性17例，女性13例；年齡18～40歲，平均（30.32±3.57）歲；受傷位置，左側14例，右側16例；受傷至入院時間1～5 d，平均（2.44±0.45）d。B組男性16例，女性14例；年齡18～40歲，平均（29.88±3.02）歲；受傷位置，左側12例，右側18例；受傷至入院時間1～7 d，平均（2.51±0.48）d。2組患者的一般資料比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具可比性。本研究經醫院醫學倫理委員會審核批準，患者及其家屬知情同意。

納入標準：單側ACL急性損傷（＜3周）；閉合性損傷；無神經精神疾病能配合康復治療。

排除標準：開放性損傷、合并感染及膝關節周圍腫瘤等；合并膝關節周圍骨折和或聯合韌帶損傷；存在神經精神疾病，無法配合康復治療；慢性損傷，拒絕參與本次研究。

1.2 方法

挑選30名健康成年人，男性、女性比例1∶1，擬以膝關節CT、MRI薄層數據為基礎，通過3D Mimics軟件重建包括韌帶、半月板等在內的高仿真三維有限元模型，并利用有限元軟件Ansys Workbench對膝關節進行力學分析和模擬手術檢驗其有效性，檢測ACL在膝關節運動中所起到的量化作用。利用有限元法測算A組和B組術后膝關節有限元模型在350 N 軸向載荷下屈曲0°、30°、90°時膝關節內外側間室應力分布情況。

A組采用傳統ACL重建治療方案，即通過自體韌帶或腱材料進行韌帶重建，使用自體韌帶或腱材料作為移植材料，通過膝關節鏡進行取材、移植和固定。術后，通過CT和MRI掃描以及有限元分析評估手術效果，檢查膝關節的功能恢復和應力分布情況。

B組在A組的基礎上采用虛擬與仿真輔助下ACL重建治療，利用虛擬與仿真輔助技術進行精準的手術規劃和導航，確定韌帶移植的最佳位置和角度，并在手術過程中實時調整。術后，再次使用CT和MRI掃描以及有限元法分析評估膝關節的功能和應力分布，并與傳統方法進行比較。

1.3 評價指標

在膝關節屈曲0°、30°、90°的情況下，當3組人員股骨受到350 N軸向力時，測量外側與內側脛骨平臺軟骨、股骨外側及內側髁軟骨，以及外側和內側半月板的最大應力值，并進行對比分析。通過此項評估，探討ACL損傷后采用不同重建方法對膝關節內部應力分布的影響，并據此推測應力差異可能引起的膝關節退行性變化的風險。

1.4 統計學方法

采用SPSS 22.0統計學軟件分析數據，計量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析；計數資料以百分比表示，采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 屈曲0°時膝關節內各結構受到的最大應力比較

屈曲0°時，A組股骨內髁軟骨受到的最大應力大于B組和C組，差異有統計學意義（P＜0.05），但B組與C組間比較，差異無統計學意義（P＞0.05），且其余位置的最大應力3組間比較差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。

2.2 屈曲30°時膝關節內各結構受到的最大應力比較

屈曲30°時，A組內外側半月板、股骨內外髁軟骨、內側脛骨平臺軟骨最大應力均大于B組和C組，差異有統計學意義（P＜0.05），但B組與C組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。3組間外側脛骨平臺軟骨最大應力比較，差異無統計學意義（P＞0.05），見表2。

2.3 屈曲90°時膝關節內各結構受到的最大應力比較

屈曲90°時，A組股骨內髁軟骨及內側半月板、脛骨平臺軟骨最大應力大于B組，內外側半月板、脛骨平臺軟骨最大應力大于C組，差異有統計學意義（P＜0.05），但B組與C組間比較，差異無統計學意義（P＞0.05），見表3。

3 討論

ACL損傷通常需要通過手術修復來恢復膝關節的穩定性和功能，ACL重建手術是治療ACL損傷的常見且有效的方法[6]。傳統的ACL重建方法涉及使用自體韌帶或腱材料進行重建，術前通過CT和MRI掃描獲取膝關節的詳細影像數據，通過3D模擬重建膝關節的三維模型，以評估韌帶損傷的程度和關節的生物力學特性[7]。在手術過程中，通過膝關節鏡將自體韌帶或腱材料植入受損的前交叉韌帶位置，并通過固定裝置確保其穩定性。術后，患者通常需要經過長時間的物理治療恢復膝關節的功能和力量。

隨著醫學技術的發展，虛擬與仿真輔助技術的引入進一步推動了ACL重建手術。基于3D虛擬仿真技術，可以在手術前通過虛擬模型進行詳細的規劃和模擬，優化韌帶重建的位置和角度[8]。利用高精度的虛擬仿真工具，手術更加精準，減小了術中誤差，提高了手術效果。3D虛擬仿真不僅加深了醫生對膝關節生物力學的理解，還允許外科醫生在虛擬環境中模擬不同的手術方案，從而選擇最適合患者的治療方案[9]。因此，探索基于3D虛擬仿真技術輔助下的ACL精準化重建具有重要的臨床價值。精準化的手術規劃和導航可以顯著提高手術的準確性，通過更精確的韌帶重建，膝關節術后的穩定性和功能恢復會更加理想，患者可以更早地恢復正常活動，縮短康復期[10]。此外，3D虛擬仿真技術還能幫助醫生在手術前識別潛在的風險因素和優化手術方案，從而提高手術整體質量[11]。本研究中，A組（傳統ACL重建）的術后應力分布顯著高于B組（虛擬與仿真輔助ACL重建）和C組（健康對照組），尤其在屈曲角度為0°、30°和90°時。這表明，傳統ACL重建方法可能在一些關鍵點上未能有效恢復膝關節的生物力學功能，導致較高的應力集中，進而可能增加關節軟骨和半月板的負擔。相較之下，虛擬與仿真技術具有高精度的三維建模和影像學數據，計算機輔助下的ACL重建方法能夠更好地模擬自然關節的應力分布，尤其是在較大屈曲角度時表現出更優的應力分布，接近健康C組。醫生可以利用這些模型進行詳細的手術規劃，包括確定最佳的移植物位置、角度和固定方式。這種精準的術前規劃不僅縮短了手術時間，減小了創傷，還確保了移植物的正確放置，從而更好地恢復膝關節的正常解剖結構和生物力學平衡[12]。另外，虛擬與仿真技術能夠在手術過程中提供實時的導航和反饋，醫生可以實時監測手術器械的位置和方向，確保每一步操作的精確性，不僅減小了手術中的誤差，還提高了手術的安全性。因此，虛擬與仿真輔助的ACL重建可能在改善術后膝關節功能和減小關節損傷方面具有潛在優勢。然而，在不同組間的比較中，B組與C組的應力分布差異無統計學意義（P＞0.05），表明虛擬與仿真輔助方法在某些方面可能與C組相似，但在特定屈曲角度下仍表現出更優的性能。這些結果展現了計算機輔助技術在ACL重建中的潛在臨床價值，尤其是在提高術后膝關節功能方面。

綜上所述，借助虛擬與仿真輔助的ACL重建手術，可以恢復ACL損傷患者半月板和軟骨的生物力學性能，進而減小患者術后關節損傷和退化風險。

參考文獻

[1] 周頤，柏帆，劉笑言，等.共用前交叉韌帶骨道技術：關節鏡下前交叉韌帶重建中修復外側半月板后根部損傷[J].中國微創外科雜志，2022，22（2）：119-125.

[2] THAKUR U，GULATI V，SHAH J，et al.Anterior cruciate ligament reconstruction related complications：2D and 3D high-resolution magnetic resonance imaging evaluation[J].Skeletal Radiol，2022，51（7）：1347-1364.

[3] 張劉會，劉丹平.膝關節三維有限元模型建立和驗證及模擬后交叉韌帶重建術[J].生物醫學工程與臨床，2020，24（5）：508-513.

[4] 焦開剛，范建楠.三扣技術與雙扣技術重建肩鎖關節脫位的生物力學比較[J].生物骨科材料與臨床研究，2021，18（6）：7-12.

[5] 歐陽洪，劉新彬，沈雷皓.有限元分析的準確性驗證及應用[J].科學技術創新，2022（20）：181-184.

[6] 周陶勇，楊永盛，魯寧，等.膝關節骨性關節炎輕癥患者膝關節三維有限元建模及力學分析[J].中國醫學物理學雜志，2024，41（3）：382-388.

[7] 喻駿，吳志峰，唐子濱，等.自體腘繩肌腱與LARS韌帶重建前交叉韌帶中期療效比較及磁共振成像在療效比較中的價值[J].中國老年學雜志，2022，42（11）：2730-2733.

[8] 吳志鈞，張理選.3D-CT重建技術在單束ACL解剖重建術后檢查中的應用[J].海南醫學2021，32（8）：1007-1010.

[9] 張曉輝，張明軍，王建平，等.三維圖像配準技術構建膝關節及周圍軟組織曲面數字化模型[J].中國組織工程研究，2023，27（18）：2814-2819.

[10] 余媛媛，向登，席小燕，等.膝關節鏡前交叉韌帶殘端保留重建的療效分析[J].創傷外科雜志，2021，23（8）：576-579.

[11] 趙興文，馬劍雄，王穎，等.3D打印個性化手術導板在骨科手術中的應用進展[J].中華創傷骨科雜志，2021，23（10）：884-889.

[12] MORITA K，NII M，KOH M S，et al.Bone tunnel placement determination method for 3D images and its evaluation for anterior cruciate ligament reconstruction[J].Curr Med Imaging，2020，16（5）：491-498.

（編輯：張興亞）