傳統與計算機輔助下前交叉韌帶重建術療效比較的有限元分析

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節鏡下ACL重建術[1]。而關節鏡下ACL重建術雖具有確切的治療效果，但存在較高的返修率、失敗率及關節退變率，對患者的膝關節功能可造成嚴重影響[2]；相關研究發現[3],脛骨隧道和股骨的定位是否精確是關節鏡下ACL重建術成敗的關鍵因素。目前，臨床對關節鏡下ACL重建術后半月板、關節軟骨的應力分布及生物力學特性的有關研究報道較少[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，聯合CT與MRI影像資料重建出三維膝關節數字模型，利用有限元法對ACL重建術后骨性關節炎發生發展力學機制進行探討，比較傳統與計算機輔助下ACL重建術后膝關節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節功能障礙；③ 無嚴重的心、肝、腎等功能障礙。排除標準：① 存在膝關節感染及腫瘤等病變；② 合并骨折或多發韌帶損傷；③ 病例資料不完整。本研究經醫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ACL重建術的不同將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節進行掃描；采用由SIEMENS公司生產的64排螺旋CT設備對側臥屈膝位患者的膝關節進行連續掃描，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，成功建立膝關節屈曲角度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節內外側脛骨平臺軟骨、股骨內外髁軟骨以及內外側半月板的應力分布。

1.3.2觀察A組 采用傳統ACL重建術，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，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組膝關節屈曲角度為0°、30°、90°時，股骨加載350 N的軸向載荷后外側脛骨平臺軟骨、內側脛骨平臺軟骨、股骨外髁軟骨、股骨內髁軟骨、外側半月板及內側半月板的最大應力情況，以此來評估ACL損傷后不同重建術對膝關節內應力分布的影響，以及預估因為應力分布差異帶來的膝關節退變概率[5]。

2 結果

2.1 膝關節有限元模型建立及網格劃分結合3組患者的膝關節CT及MRI影像資料，同時參照膝關節X線影像，建立了包含骨、軟骨、半月板及主要韌帶的3組膝關節有限元模型，所建膝關節模型結構完整、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，差異有統計學意義(P<0.05)，觀察B組與對照組比較差異無統計學意義(P>0.05)。內外側脛骨平臺軟骨、股骨外髁軟骨及內外側半月板最大應力3組比較差異均無統計學意義(P>0.05)。

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

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

圖1 對照組膝關節影像資料及三維數字模型 A.膝關節正位X線片； B.膝關節矢狀位MRI；C.膝關節三維幾何模型正面觀 圖2 觀察A組膝關節影像資料及三維數字模型 A.膝關節正位X線片； B.膝關節矢狀位MRI(ACL斷裂)； C.ACL重建術后膝關節三維幾何模型后面觀 圖3 觀察B組膝關節影像資料及三維數字模型 A.膝關節正位X線片； B.膝關節矢狀位MRI(ACL斷裂)； C.ACL重建術后膝關節三維有限元網格模型后面觀有統計學意義(P<0.05)；內側脛骨平臺軟骨、股骨內髁軟骨及內側半月板最大應力觀察A組均大于觀察B組，差異有統計學意義(P<0.05)。膝關節內各結構受到的最大應力觀察B組與對照組比較差異均無統計學意義(P>0.05)。

表1 3組屈曲0°時膝關節內各結構受到的最大應力比較

表2 3組屈曲30°時膝關節內各結構受到的最大應力比較

表3 3組屈曲90°時膝關節內各結構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，是維持人體膝關節運動功能和關節穩定的重要組成結構[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]。研究發現，一旦患者ACL損傷后，可嚴重影響患者膝關節的力學平衡及穩定性，造成患者膝關節內各結構軟骨的應力升高，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定性，我國通常采用關節鏡下ACL重建術，以達到恢復患者膝關節的關節功能及穩定性的目的[10]。而重建精確的ACL起止點是手術成敗的關鍵因素[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，其單元間采用節點連接，而單元間再利用節點傳力來完成相互作用，稱作節點力；待所有單元的節點及物質特性的邊界條件及載荷確定后，經節點與節點位移之間存在的關系，利用其關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，進而組成構件總剛度矩陣，再將其利用數學形式進行表達。有限元分析研究在現代力學、數學及計算機學等領域均具有較深涉及，亦屬于物理數學方法的一種。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]；建立具有優良交互界面的虛擬三維模型，使手術醫師充分模擬手術及展開術前規劃，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并發癥[16-17]。

本研究結果顯示，正常膝關節的內側間室應力大于外側間室，導致內側間室磨損較外側間室嚴重，可引起膝內翻畸形的骨性關節炎，與臨床膝關節骨性關節炎多呈內翻畸形相符，證明所建立的膝關節有限元模型具有可靠性。從ACL重建術后患者膝關節應力分布中可以看出，膝關節峰值應力也主要集中在內側間室，提示未來膝關節內側間室的退變可能較外側間室嚴重，引起膝關節內翻畸形。由此證明，ACL重建術后膝關節內外側間室應力分布不均可能是導致膝關節骨性關節炎發生的主要原因。

本研究對比3組在350 N軸向載荷下，膝關節屈曲0°、30°、90°時各結構受到的應力分布情況，采用傳統ACL重建術患者的膝關節半月板及軟骨所受到的最大應力均大于計算機輔助下ACL重建術的患者及健康志愿者，表明傳統ACL重建術后膝關節內應力增大，可能導致膝關節內軟骨磨損的加速，存在較高的骨性關節炎發生風險；而采用計算機輔助下ACL重建術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計學意義，進而證明計算機輔助ACL重建手術可恢復患者半月板及軟骨的生物力學特性，并降低患者術后關節損傷及退變概率。

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