陳海南 董啟榕

有限元技術在膝關節(jié)外科的應用現(xiàn)狀

陳海南 董啟榕

有限元分析是指用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。有限元分析(finite element analysis， FEA)是將一個復雜的生物體劃分成一個個的小網格(單元)，計算后再將其整合成一個整體，從而得出研究對象的各種參數的計算結果。因小單元是規(guī)則的小的正立方體，計算相對容易，所以隨著計算機的快速發(fā)展，有限元法近年來成為處理各種復雜問題的行之有效的手段[1]。有限元方法最早應用于工程力學領域，直到20世紀60年代后期才被引入到生物醫(yī)學領域。此后它將對骨關節(jié)系統(tǒng)許多問題的研究，從早期二維平面分析迅速發(fā)展為三維實際情況的分析。又隨著高分辨率大型MRI及CT設備的發(fā)展，以及有限元分析軟件處理能力的不斷強大，使得有限元分析在膝關節(jié)運動系統(tǒng)許多復雜問題的研究中得到廣泛應用[2]。膝關節(jié)是人體最重要、最復雜的一個負重關節(jié)，股骨、脛骨平臺、髕骨、半月板、韌帶共同構成一個復雜系統(tǒng)并行使功能。以往研究膝關節(jié)生物力學及病理變化常用臨床觀察、動物實驗，均存在主觀評定標準不一，花費大，離體與在體之間差異，條件難以控制，不能反映實際情況等不足。因此有必要建立符合人體膝關節(jié)特征的三維模型，正確反映膝關節(jié)各結構的形態(tài)及相互關系[3]，從而有助于解決臨床實際問題。

1 膝關節(jié)三維有限元模型的建立

有限元仿真計算是隨著計算機技術不斷進步而逐漸發(fā)展起來的一種有效地數值方法，而用有限元法進行生物力學分析是近年來發(fā)展起來的一種生物力學研究方法。伍中慶等[4]結合X線片用X-CT對尸體膝關節(jié)進行掃描，利用Ansys有限元軟件，對膝關節(jié)的三維有限元模型進行重建，包括股骨、脛骨、髕骨及半月板，重建的幾何體逼真、客觀，為分析股骨、脛骨、髕骨和半月板的力學特性提供了模型基礎。汪強[5-6]的結果提示三維模型較以往兩維平面有限元模型有明顯優(yōu)點：①模型網格劃分更細，建立的單元和節(jié)點更多，模型更接近解剖學實際。②圖像數據直接來自CT掃描，避免了圖像生成、轉化與存取中的信息丟失，且圖像精確。③嚴格區(qū)分了半月板與關節(jié)軟骨。王光達等[7]通過一名男性健康志愿者的膝關節(jié)掃描，通過有限元軟件處理成功建立了一個完整的膝關節(jié)三維有限元模型，包括脛骨、股骨、髕骨、內外側副韌帶、前后交叉韌帶，髕韌帶及雙側半月板。模型可以任意角度旋轉觀察，整體外形及各組成部件均與實體標本具有滿意的相似性，黃建國等[8]通過了MSC.MARC建立膝關節(jié)的三維有限元模型，得到脛骨骨折患者的膝模型，認為對脛骨平臺骨折的診斷，手術策劃和治療具有較大的指導作用。模型確立后可以為膝關節(jié)的創(chuàng)傷、骨折的力學分析及人工關節(jié)的開發(fā)提供方法學的支持。姜華亮等[9]在MRI基礎上建立膝關節(jié)三維有限元模型，包括膝關節(jié)所涉及的幾乎所有骨骼、軟骨，半月板和韌帶等基本力學的模型，并認為MRI比CT對軟組織顯像更清晰。重建的模型更逼真、客觀，能夠更真實地反映膝關節(jié)的結構特點和生物力學屬性。

2 有限元在膝關節(jié)生物力學研究中的應用

人體膝關節(jié)生物力學復雜多樣，更多的力學反映在運動過程中，受力特點更加復雜。因此，應用三維有限元方法建立膝關節(jié)生物力學模型，無創(chuàng)、快速地研究膝關節(jié)力學特性、損傷的機理，對指導臨床工作有現(xiàn)實意義。有研究認為膝關節(jié)伸直時應力主要分布于ACL近股骨上點處。說明ACL是對抗脛骨前移的主要結構，其與臨床上ACL損傷多發(fā)生在股骨上點處相一致。膝關節(jié)屈曲時，PCL是對抗脛骨前移的首要結構，且應力主要集中在近脛骨止點處，這與臨床PCL斷裂多發(fā)生在脛骨止點處相一致。同時對模型施加內外翻應力，分別在LCL腓骨上點和MCL近股骨上點應力較大，說明MCL、LCL是對抗膝外、內翻的主要結構。與臨床內、外側副韌帶損傷位置一致。進一步驗證了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪強等[5]通過對膝關節(jié)三維有限元模型的建立，同時研究了加載后，得到膝關節(jié)內外側關節(jié)面典型節(jié)點Von Mises應力值，提示正常膝關節(jié)內側關節(jié)面應力呈前、后部大，中部小分布；外側關節(jié)面應力呈前部大，中后部稍小分布，且較內側關節(jié)面分布均勻。姚杰等[11]利用膝關節(jié)有限元模型和模擬跳傘著陸實驗數據，對半蹲式跳傘著陸過程進行數值模擬，并分析膝關節(jié)損傷的機理。結果顯示，關節(jié)內組織的應力水平隨著跳落高度的增加而增加，外側半月板和關節(jié)軟骨承受了較大的載荷，前交叉韌帶和內側副韌帶在屈膝角度達到最大時產生明顯的應力集中，此時更易斷裂。吳宇峰等[12]通過有限元模型研究了髕骨在運動及損傷過程中的受力情況，結果顯示應力集中于髕骨的上極和下極，說明骨折的好發(fā)部位即在髕骨的上下級，與臨床基本相符。辛力等[13]通過有限元方法對合并膝關節(jié)脫位的脛骨平臺骨折4種內固定方法進行比較。結果提示MDP(內側雙鋼板)固定后的應力最小，其后依次是BDP(雙側雙鋼板)與MSP(內側T型單鋼板+拉力螺釘)，而LLP(外側鎖定鋼板+拉力螺釘)固定的應力最高。給臨床治療類似骨折選擇治療方案提供參考。

3 膝關節(jié)置換相關有限元分析研究

人工膝關節(jié)置換是治療膝關節(jié)骨性關節(jié)炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝關節(jié)置換。三維有限元法是先進而有效的生物力學分析方法，利用該方法從生物力學角度分析全膝關節(jié)置換后的應力分布情況對探討全膝置換有重要意義。膝關節(jié)置換前要對患者膝關節(jié)病情有詳細了解，全面檢查，嚴格選擇假體類型。根據假體的使用部位將假體分為單髁假體(單間隔假體)、不包括髕股關節(jié)置換的全關節(jié)假體(雙間隔假體)、全關節(jié)假體(三間隔假體)。如果術前對準備手術的膝關節(jié)進行CT掃描、重建，建立三維有限元模型，然后進行逆向工程CAD/CAM，選擇制作適合該關節(jié)的人工假體必將更適應患者，術后生物力學性能必將更好，松動翻修的機率將明顯降低[14]。術中選擇置換假體，脛骨和股骨配對關系，術后假體接觸表面的應力變化可能增加磨損及松動的風險，有研究[15]將股骨側3號鈷鉻合金假體，與脛骨側2.5號(3/2.5配對)，3號(3/3配對)，4號(3/4配對)鈦合金金屬托及對應尺寸的10 mm厚度聚乙烯墊片配對。構建有限元模型，模擬雙腿站立，平地行走，上樓梯情況下，對各屈膝角度的最大等效應力進行研究。發(fā)現(xiàn)3/2.5配對，3/4配對假體接觸面最大等效應力明顯增高，有增加聚乙烯墊片磨損風險。同時Liau等[16]研究了假體對線不齊時接觸應力和Von Mises應力大幅度增加。定制假體盡管重建保肢符合人體生物力量規(guī)律，短柄假體可引起骨水泥應力集中，重建后發(fā)生骨折，骨水泥碎裂風險較高，但過度增加柄長對骨的應力遮擋水平也相應增大[17]。膝關節(jié)置換后要能負重行走是最終目標，許多靜態(tài)的模型并未涉及其中。最近有研究者對其關節(jié)高屈曲活動下運動和應力等動態(tài)特征進行了研究。通過建立包括主要骨和軟組織的全膝關節(jié)置換前后的膝關節(jié)的動態(tài)有限元模型，對天然及全膝置換后膝關節(jié)下蹲運動和接觸應力分布進行分析。結果表明在膝關節(jié)過伸和高屈曲時，在脛骨高分子聚乙烯平臺的脛骨平臺輪柱和平臺前部的交界處，脛骨平臺內后方和輪柱后部3個區(qū)域發(fā)生較高的接觸應力，這些也正是假體發(fā)生較高磨損的部位。這為膝關節(jié)假體的摩擦學研究及膝關節(jié)假體設計提供有力的分析工具[18]。

4 問題與展望

盡管有限元分析方法在膝關節(jié)外科研究中有諸多優(yōu)點，能重建出與真實人體膝關節(jié)結構基本一致的模型，重建的模型逼真、客觀，可以自由旋轉，添加、調整相關參數可以進行人體和動物實驗無法完成的生物力學研究。但它作為一項仍然沒有成熟的技術，還有許多不足：①研究所用硬件、軟件多為進口，價格昂貴。②操作過程繁瑣復雜，作為臨床醫(yī)務人員，學習周期長，較難熟練掌握。③人體膝關節(jié)結構復雜，相互之間關系密切，互相影響，脫離其他因素，簡單研究骨骼、韌帶、關節(jié)軟骨本身就有失偏頗。④將骨骼內各向同性，各向異性等同考慮，簡化操作，明顯不妥。⑤膝關節(jié)許多特征及生物力學都是在運動中表現(xiàn)出來，但許多有限元的研究是靜態(tài)的，未考慮動態(tài)研究，影響結果的準確性。⑥載荷和邊界條件的選擇，基本都是人為確定的，很多參考國外的文獻，而這是否適用于國人亦未可知。所有這些問題，希望隨著對膝關節(jié)發(fā)病機理的進一步認識、計算機處理能力的進一步提高、CT和MRI成像技術的不斷完善而逐步得到解決，使之更好地為臨床服務。

[1] Li W， Abram F. Human hip joint cartilage： MRI quantitative thickness and volume measurements discriminating acetabulum and femoral head. IEEE Trans Biomed Eng，2008，55(12)：2731-2740.

[2] 楊玉海，崔誼，崔允峰,等.螺旋CT三維重建評價膝關節(jié)創(chuàng)傷的臨床應用價值. 醫(yī)學影像學雜志，2004，14(1)：45.

[3] Ben djaballah MZ， Shirazi-Adl A， Zukor DJ.Finite dement analysis of human knee joint in varus-valgus. Clin Biomech (Bristol，Avon)，1997，12 (3)：139.

[4] 伍中慶，吳宇峰，蘇培基,等.膝關節(jié)三維有限元模型的建立.中華實用中西醫(yī)雜志，2004，4(17):2970-71.

[5] 汪 強，孫俊英，賴震,等.膝關節(jié)三維有限元模型的建立.陜西醫(yī)藥雜志，2007, 36(3)：210-212.

[6] Hirokawa，S.， Tsuruno，R.， Three-dimensional deformation and stress distribution in an analytical/computational modelof the anterior cruciate ligament. Journal of Biomechanics，2000，33：1069-1077.

[7] 王光達，張祚福，齊曉軍,等.膝關節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學分析.中國組織工程研究與臨床康復，2010,14(52)：9702-9705.

[8] 黃建國，史慶南，嚴繼康,等.膝關節(jié)三維有限元模型的重建.中華醫(yī)學研室雜志，2006，6(4)：415-416.

[9] 姜華亮，華錦明，許新忠,等.正常人膝關節(jié)三維有限元模型的建立.蘇州大學學報(醫(yī)學版),2008；28(3)：421-422.

[10] G Limbert， M.Taylor， J.Middleton. Three-dimensional finite element modeling of the human ACL： simulation of passive knee flexion with a stressed and stress-free ACL. Journal of Biomechanics，2004，37：1723-1731.

[11] 姚杰， 牛文鑫，王旸,等.跳傘著陸過程中膝關節(jié)損傷的有限元研究. 醫(yī)用生物力學，2010，25(4)：244-248.

[12] 吳宇峰，蘇培基，伍中慶,等.髕骨的三維有限元重建及初步力學分析. 中國中醫(yī)骨傷科雜志,2004，12 (2):1-3.

[13] 辛力，王業(yè)華. 合并膝關節(jié)脫位的脛骨內側平臺骨折4種內固定方法的生物力學性能靜態(tài)有限元分析.徐州醫(yī)學院學報,2008,28(8):533-536.

[14] Bougherara H, Zdero R, Mahboob Z，et al.The biomechanics of a validated finite element model of stress shielding in a novel hybrid total knee replacement. Proc Inst Mech Eng H,2010,224(10):1209-19.

[15] Completo A, Rego A, Fonseca F, et al. Biomechanical evaluation of proximal tibia behaviour with the use of femoral stems in revision TKA: an in vitro and finite element analysis. Clin Biomech (Bristol, Avon),2010,25(2):159-65.

[16] liau J J， Cheng C K， Huang C H， et al. The efect of malalignment on stresses in polyethylene component of total knee prostheses-a finite element analysis. Clinical Biomechanics，2002，17：140-146.

[17] Completo A, Sim?es JA, Fonseca F. Revision total knee arthroplasty: the influence of femoral stems in load sharing and stability. Knee, 2009,16(4):275-9.

[18] Chandran N, Amirouche F, Gonzalez MH, et al.Optimisation of the posterior stabilised tibial post for greater femoral rollback after total kneearthroplasty-a finite element analysis. Int Orthop,2009,33(3):687-93.

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