宋 艷，吳 毅，晁 瑞，馮 勇，鄧 旭，代 燦 (.陸軍軍醫(yī)大學生工系數(shù)字醫(yī)學教研室，重慶 40008；2.陸軍軍醫(yī)大學教研保障中心，重慶 40008；.重慶大學附屬中心醫(yī)院/重慶市急救醫(yī)療中心骨科，重慶 40004)

關節(jié)鏡下單束重建是前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)斷裂后的標準治療方案[1]，文獻報道其與雙束重建效果無統(tǒng)計學差異[2]。盡管關節(jié)鏡下ACL單束重建技術(shù)在不斷發(fā)展，但術(shù)后移植物松動、斷裂等短期并發(fā)癥的發(fā)生率仍較高，這主要是因為移植物處于高應力狀態(tài)[3]。影響術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生的因素很多，如術(shù)中股骨道及脛骨道的角度，股骨道及脛骨道定位，移植物性質(zhì)、強度、植入前預張張力，固定方法及康復鍛煉方法等[4]。因ACL解剖位置的特殊性，股骨道及脛骨道定位尤為重要，較小的偏差也會影響手術(shù)效果[5]。即使按目前主流方法進行骨道定位，仍然不能避免部分移植物松弛、斷裂，因此，進一步研究股骨道及脛骨道定位以減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生非常有必要。本研究擬基于三維有限元生物力學模型，模擬計算ACL重建術(shù)中選擇不同骨道后移植物的應力，探討重建術(shù)中最佳骨道定位。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

選擇中國數(shù)字化人體5號數(shù)據(jù)集(Chinese Visual Human 5,CVH-5)膝關節(jié)的連續(xù)橫斷面斷層圖像，CVH-5為25歲女性尸體，身高1 700 mm，體質(zhì)量59 kg，橫斷面斷層圖像層厚為0.2 mm，分辨率為4 064×2 704，像素為0.12 mm×0.12 mm。標本來源符合“中國數(shù)字化人體”項目的人體捐贈計劃，經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學倫理委員會審核批準，該尸體捐贈者及其家屬均簽署了知情同意書。

1.2 膝關節(jié)結(jié)構(gòu)的三維可視化重建

截取CVH-5的膝關節(jié)薄層高清數(shù)據(jù)集圖像，導入Amira5.2.2軟件中，由解剖學專家和骨科醫(yī)師根據(jù)彩色圖像中的自然顏色差異和組織間筋膜結(jié)構(gòu)對膝關節(jié)解剖結(jié)構(gòu)進行準確識別和分割，得到膝關節(jié)解剖結(jié)構(gòu)的輪廓數(shù)據(jù)集，再利用Amira5.2.2軟件進行三維重建，重建結(jié)構(gòu)包括股骨遠端及其軟骨、脛骨近端及其軟骨、腓骨近端及其軟骨、髕骨、髕韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)半月板等14個結(jié)構(gòu)。

1.3 膝關節(jié)三維有限元模型的建立

使用Amira5.2.2軟件將三維重建后的膝關節(jié)骨、膝周韌帶等解剖結(jié)構(gòu)單獨導出為一個.hmascii格式的文件，然后將每一個文件導入Geomagic studio軟件中，對模型進行優(yōu)化、去噪，將模型表面進行松弛、平滑處理后進行模型曲面的構(gòu)建，完成后將模型以IGS格式保存。

將每個解剖結(jié)構(gòu)模型的IGS文件導入到Altair HyperWorks軟件中，對模型的表面、模型結(jié)構(gòu)的幾何形狀、各結(jié)構(gòu)間的毗鄰關系進行校準和定位，分別創(chuàng)建三維有限元模型；骨組織模型中皮質(zhì)骨用六面體單元來模擬，松質(zhì)骨則用四面體單元來模擬。半月板和軟骨采用六面體實體網(wǎng)格來劃分，半月板與脛骨平臺之間采用Tied_Nodes_to_surface進行連接。建立膝周韌帶的有限元模型，獲得其表面輪廓點、線、面、體，得到三維模型，通過刪面、補面、替換邊或者壓縮處理等對模型進行幾何清理和合理簡化，修復失真的結(jié)構(gòu)，確定韌帶在骨上連接的位置；韌帶用六面體實體單元來進行劃分，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際的解剖學接觸或連接特征，逐一設置結(jié)構(gòu)間的接觸或連接類型及相應屬性，形成可以進行生物力學仿真的膝關節(jié)三維有限元模型(圖1)。

圖1 CVH-5膝關節(jié)三維有限元模型構(gòu)建流程

1.4 材料參數(shù)的設置和賦值

通過查閱已往的生物力學實驗文獻，為骨骼、軟骨、韌帶等不同生物特性的結(jié)構(gòu)設置材料參數(shù)和邊界條件。其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關節(jié)軟骨均定義為線彈性材料；內(nèi)外側(cè)半月板定義為超彈性材料；膝周韌帶定義為超粘彈性材料(表1)。

表1 膝關節(jié)三維有限元模型中材料參數(shù)[8]

設置膝關節(jié)三維有限元模型的邊界條件：將膝周韌帶等軟組織與骨之間的接觸屬性設置為共節(jié)點接觸，將關節(jié)軟骨與半月板之間的接觸屬性設置為面面接觸，將關節(jié)軟骨與關節(jié)軟骨之間的接觸屬性設置為有摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2。

1.5 膝關節(jié)三維有限元模型驗證

將膝關節(jié)三維有限元模型的INP文件導入到abaqus軟件中，根據(jù)相關文獻報道的生物力學實驗方法固定股骨，并設置脛骨只可在前后方向的自由度上移動，在膝關節(jié)完全伸直狀態(tài)下設置134 N前向力作用于脛骨，將脛骨前移程度與相關文獻數(shù)據(jù)進行比較，驗證該有限元模型的有效性[6-7]。

1.6 ACL重建術(shù)力學仿真

在膝關節(jié)三維有限元模型中，明確ACL股骨及脛骨止點的幾何輪廓，定位止點中心點，去除ACL，其余結(jié)構(gòu)保持不變。在膝關節(jié)屈曲90°時于脛骨止點中心點及與中心點間隔2 mm向前、后、內(nèi)、外4個方向取點，共5個點作為移植物脛骨骨道定位點；于股骨止點中心點及與中心點間隔2 mm向前、后、上、下4個方向取點，共5個點作為移植物股骨骨道定位點(圖2a)。完成股骨5個點、脛骨5個點兩兩組合共25組ACL重建方案的力學模擬。臨床重建時移植物的直徑通常為7～9 mm，平均為8 mm，故本研究移植物直徑確定為8 mm，同時，沿重建移植物長軸并指向脛骨端施加222.3 N的力，模擬術(shù)中拉緊狀態(tài)下固定移植物。定義脛骨為模型中固定部件，以股骨髁中點連線為旋轉(zhuǎn)軸，對股骨施加轉(zhuǎn)動位移載荷，模擬膝關節(jié)屈曲0°、30°、60°、90°、120°時的非負重狀態(tài)，進行模擬分析計算，對不同骨道重建ACL后移植物的應力分布進行測量，計算其均值和標準差，并進行分析比較。

2 結(jié)果

2.1 膝關節(jié)三維有限元模型的建立和驗證

本研究基于CVH-5膝關節(jié)的橫斷面斷層圖像建立了膝關節(jié)三維有限元模型(圖2b)，準確地顯示了膝關節(jié)骨及膝周韌帶等解剖結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)、毗鄰關系、起止點和相互間的連接關系，在此基礎上建立了膝關節(jié)三維有限元模型。該模型由14個部件組成，包含股骨遠端及其軟骨、脛骨近端及其軟骨、腓骨近端及其軟骨、髕骨、髕韌帶、內(nèi)側(cè)半月板、外側(cè)半月板、ACL、后交叉韌帶、內(nèi)側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶，總計53 866個單元，精確度高，能呈現(xiàn)膝關節(jié)復雜的幾何外型和接觸關系。其中股骨的網(wǎng)格數(shù)量為256 267，節(jié)點數(shù)量為49 313；脛骨的網(wǎng)格數(shù)量為136 330，節(jié)點數(shù)量為28 044；腓骨的網(wǎng)格數(shù)量為24 047，節(jié)點數(shù)量為4 923；髕骨的網(wǎng)格數(shù)量為27 526，節(jié)點數(shù)量為6 081；髕韌帶的網(wǎng)格數(shù)量為14 596，節(jié)點數(shù)量為11 340；內(nèi)側(cè)半月板的網(wǎng)格數(shù)量為1 392，節(jié)點數(shù)量為2 066；外側(cè)半月板的網(wǎng)格數(shù)量為1 506，節(jié)點數(shù)量為1 008；ACL的網(wǎng)格數(shù)量為1 915，節(jié)點數(shù)量為7 787；后交叉韌帶的網(wǎng)格數(shù)量為6 042，節(jié)點數(shù)量為2 631；內(nèi)側(cè)副韌帶的網(wǎng)格數(shù)量為1 864，節(jié)點數(shù)量為6 230；外側(cè)副韌帶的網(wǎng)格數(shù)量為1 923，節(jié)點數(shù)量為1 630；軟骨的網(wǎng)格數(shù)量為6 938，節(jié)點數(shù)量為14 214。

將膝關節(jié)置于伸直位，脛骨相對股骨的位移量為4.8 mm，符合文獻中4.6～5.0 mm的位移量[6-7]，證明建立的膝關節(jié)三維有限元模型有效。

2.2 ACL重建術(shù)后的力學仿真

在ACL重建術(shù)后的膝關節(jié)三維有限元模型上進行力學仿真(圖2c)，計算其均值和標準差(表2)。結(jié)果顯示，25組骨道重建方案中，骨道移植物在膝關節(jié)屈伸活動過程中均未發(fā)生撞擊，ACL重建術(shù)后骨道移植物在膝關節(jié)屈伸活動過程中所受的應力主要集中在股骨止點及脛骨止點，在股骨止點下部及脛骨止點后部形成峰值，并呈波浪狀向四周逐漸減小，移植物中部所受應力相對較小(圖3)。

a：ACL移植物脛骨及股骨定位點示意圖；b：CVH-5膝關節(jié)三維有限元模型；c：模擬ACL重建的CVH-5膝關節(jié)三維有限元模型 T1：ACL原脛骨止點中心定位點；T2：ACL原脛骨止點中心向前2 mm定位點；T3：ACL原脛骨止點中心向內(nèi)2 mm定位點；T4：ACL原脛骨止點中心向后2 mm定位點；T5：ACL原脛骨止點中心向外2 mm定位點；F1：ACL原股骨止點中心定位點；F2：ACL原股骨止點中心向下2 mm定位點；F3：ACL原股骨止點中心向后2 mm定位點；F4：ACL原股骨止點中心向上2 mm定位點；F5：ACL原股骨止點中心向前2 mm定位點圖2 膝關節(jié)三維有限元模型

表2 25組骨道重建方案中移植物在膝關節(jié)0°～120°的應力均值和標準差(MPa)

a1～a5：T1-F3在0°、30°、60°、90°及120°時的應力分布；b1～b5：T4-F1在0°、30°、60°、90°及120°時的應力分布；c1～c5：T4-F5在0°、30°、60°、90°及120°時的應力分布圖3 移植物在膝關節(jié)0°～120°的應力分布圖

在全部25組骨道重建方案中，移植物在股骨止點的應力均值明顯大于在脛骨止點的應力均值。位于T1-F2骨道的移植物在股骨止點的應力值最低，為(14.07±9.23)MPa；其次是T1-F3骨道，移植物在股骨止點的應力值為(14.11±5.38)MPa。從股骨止點應力分析，T1-F3骨道標準差更小，應力波動更小，骨道更好。位于T3-F3骨道的移植物在脛骨止點的應力值最低，為(5.64±2.58)MPa；其次是T1-F3骨道，移植物在脛骨止點的應力值為(6.30±3.22)MPa。從脛骨止點應力分析，T3-F3骨道更好，但股骨止點在ACL重建術(shù)中更重要，應優(yōu)先考慮股骨止點[9-10]，故綜合股骨和脛骨結(jié)果，T1-F3骨道為最佳骨道重建方案，即重建時股骨定位點為ACL原股骨止點中心偏后2 mm，脛骨定位點為ACL原脛骨止點中心。

3 討論

3.1 基于CVH數(shù)據(jù)標本的有限元模型

在膝關節(jié)骨道定位術(shù)的生物力學實驗研究中，為保證實驗結(jié)果的準確性，通常不能對同一個尸體膝關節(jié)標本進行過多的隧道鉆孔實驗，大大增加了研究成本。本研究基于有限元模型生物力學仿真方法，不受尸體標本的限制，實驗可重復性好，可在同一個有限元模型上進行多隧道建模，極大地豐富和細化了研究內(nèi)容，降低了研究成本。有限元模型是一種數(shù)學力學模型，其通過將研究對象進行分割，轉(zhuǎn)化為數(shù)個單元后逐個研究不同單元的性質(zhì)，經(jīng)軟件分析后獲得與實物類似的材料結(jié)構(gòu)、機械性能等相關參數(shù)，從而實現(xiàn)對研究對象進行整體分析的目的，該方法能很好地適應膝關節(jié)復雜的幾何形狀、材料特性及邊界條件，并可通過云圖直觀展示研究部位的應力分布，具有傳統(tǒng)實驗生物力學研究方法所無法比擬的優(yōu)勢，減少了對動物、尸體標本及活體實驗的依賴[11]。

有限元研究中最重要的步驟是建立研究對象的準確三維有限元模型，既往文獻報道，膝關節(jié)有限元模型的建立大多是以薄層CT+MRI掃描獲取二維數(shù)據(jù)并耦合，再將二維數(shù)據(jù)經(jīng)軟件進行三維重建構(gòu)建三維模型。CT可清晰顯示骨性結(jié)構(gòu)，而MRI能識別如韌帶、半月板及軟骨等結(jié)構(gòu)，但均為灰度圖像，組織邊緣顯示模糊，觀察韌帶損傷、斷裂等定性數(shù)據(jù)尚可，但進行精確圖像分割等定量研究時易產(chǎn)生較大誤差，且CT+MRI的數(shù)據(jù)耦合會進一步產(chǎn)生誤差，導致三維模型失真。CVH數(shù)據(jù)標本可代表國人平均體型，且無器質(zhì)性病損，具有真彩色、無形變、高清晰度、高分辨率、薄層等特點[12-13]，較CT+MRI掃描數(shù)據(jù)優(yōu)勢明顯，作為本研究的源數(shù)據(jù)集可使結(jié)果更為精確可信。

3.2 ACL重建手術(shù)方案的骨道定位

目前已有許多使用有限元方法進行ACL重建術(shù)的相關研究。Westermann等[14]在膝關節(jié)三維有限元模型中通過改變ACL移植物直徑(范圍為5～9 mm)模擬Lachman試驗，并分析脛骨和股骨前后相對移位距離、半月板應力、關節(jié)軟骨接觸應力，結(jié)果顯示，隨著ACL移植物直徑的增大，脛骨和股骨前后相對位移距離減小，半月板所受的應力峰值和關節(jié)軟骨的接觸應力峰值均下降。Parkar等[15]通過有限元模型發(fā)現(xiàn)脛骨道和股骨道與膝關節(jié)冠狀面夾角成60°時可降低膝關節(jié)屈曲時的ACL移植物張力，并可最大程度地減少移植物和后交叉韌帶外側(cè)緣的撞擊。Van Der Bracht等[16]在ACL重建術(shù)后通過三維有限元模型模擬pivot-shift試驗發(fā)現(xiàn)，ACL移植物的應力峰值位于股骨止點。Westermann等[17]在有限元模型中圍繞原ACL股骨止點中心向前、后、上、下、前上、前下、后上、后下建立了多種不同股骨道，并模擬Lachman試驗，對比分析不同股骨道ACL移植物的應力、脛骨前移程度、軟骨接觸應力、內(nèi)外側(cè)半月板應力，結(jié)果顯示，當ACL移植物股骨止點位于原止點中心前、前下、后下時脛骨前移程度較大，ACL移植物股骨止點位于原止點中心時軟骨接觸應力、內(nèi)外側(cè)半月板應力較大，ACL移植物股骨止點位于原止點中心后、下方時移植物應力最大。

ACL重建術(shù)中準確的骨道定位是術(shù)后移植物長期生存并發(fā)揮功能的決定性因素[18]，為防止移植物位置過度偏離而引起撞擊和功能不佳，目前臨床主流觀點傾向于將移植物放置于原ACL解剖止點內(nèi)，即所謂解剖重建。Arnold等[19]研究報道，ACL重建術(shù)中股骨道過于偏前常引起屈曲受限或繼發(fā)性伸直位松馳；Safran等[20]研究報道，ACL重建術(shù)中股骨道過于偏后常導致伸直受限或繼發(fā)性屈曲位松馳，過于垂直或正中會引起膝關節(jié)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)；脛骨道過于偏前常引起伸直位移植物與髁間窩的撞擊及伸直受限，過于偏內(nèi)或偏外會引起移植物與內(nèi)髁或外髁的相互撞擊，從而使移植物不斷磨損、松弛，甚至導致移植物斷裂。van Dijck等[9]和Zantop等[10]研究報道，股骨道在ACL重建術(shù)中更為重要，移植物松弛或斷裂的主要原因是股骨道位置欠佳，這是因為重建后的ACL股骨止點的位置變化對移植物長度的影響比脛骨止點大；Morgan等[21]研究報道，ACL重建失敗有50%是技術(shù)原因，其中有36%是股骨道位置不佳，11%是脛骨道位置不佳[4]，47.6%的ACL翻修患者存在股骨道定位不當。本研究結(jié)果顯示，ACL重建術(shù)后移植物在膝關節(jié)屈伸活動中的應力主要集中在股骨止點下部及脛骨止點后部，并向四周逐漸減小，移植物實質(zhì)部應力不高，表明重建后的ACL移植物在股骨和脛骨止點處受到的剪切和拉伸應力大于實質(zhì)部，容易在止點處發(fā)生松弛甚至斷裂；同時，股骨止點的應力均值大于脛骨止點應力均值，表明移植物在股骨止點處發(fā)生松弛的概率大于脛骨止點，股骨止點位置的輕微變化會導致應力明顯變化，而脛骨止點位置的變化引起的應力變化則明顯較小，提示脛骨止點定位的容錯率更高，股骨止點定位的容錯率更低，失敗率更高，證實股骨止點在ACL重建中的重要性大于脛骨止點。這與Morgan等[21]、van Dijck等[9]和Zantop等[10]的研究結(jié)果一致。

目前ACL單束重建股骨道及脛骨道的定位仍然存在較大爭議，F(xiàn)rerretti等[22]的研究以ACL股骨端殘端中心為股骨道定位點，Kato等[23]的研究以ACL脛骨端殘端中心偏后部平外側(cè)半月板前角游離緣為脛骨道定位點，本研究中T4-F1骨道即為此骨道。本研究中T4-F1骨道移植物在股骨止點的應力為(29.17±23.06)MPa，在脛骨止點的應力為(13.94±8.35)MPa，在全部25條骨道中應力值居中，遠高于本研究推薦的T1-F3骨道，這與之前的研究結(jié)果不同。本研究中T4-F5骨道移植物在股骨止點的應力為(107.11±121.20)MPa，在脛骨止點的應力為(17.39±10.16)MPa，在全部25條骨道中應力值最大，且標準差也極大，提示該骨道在膝關節(jié)屈伸過程中移植物所受應力變化明顯，嚴重影響移植物的生存，在臨床手術(shù)中應避免選擇該骨道點。

本研究應用有限元模型仿真模擬方法聚焦膝關節(jié)ACL重建術(shù)中骨道定位點，屏蔽了股骨道及脛骨道的角度、移植物性質(zhì)、強度、植入前預張張力、固定方法及康復鍛煉方法等影響ACL重建效果的因素，獲得了ACL重建術(shù)中骨道定位的最佳位置，該方法可重復性強，不依賴于實驗條件，可在后續(xù)研究中進一步細化實驗內(nèi)容，如增加更多方向的定位點，將定位點距股骨及脛骨止點中心點的距離進一步增加或減少等。但有限元模型仿真模擬方法只是一種數(shù)字化模擬方法，目前還停留于理論層面，未來需與傳統(tǒng)生物力學實驗、動物實驗、解剖學、臨床隨訪等研究相結(jié)合，以使隧道定位研究逐漸深入和精確，為臨床重建提供依據(jù)。