● 摘要
前交叉韧带（Anterior cruciate ligament，ACL）是膝关节中较易损伤又难以康复的韧带。ACL损伤不仅会使膝关节失稳，还会引发关节退变，导致骨性关节炎，使膝关节丧失运动能力。ACL重建手术，作为目前治疗ACL撕裂的主要方法，虽然能够在术后近期恢复膝关节的稳定性，但是仍无法解决远期的骨隧道扩大和骨性关节炎等并发症。这些术后并发症与生物力学因素有着密切的联系。
本研究着眼于ACL重建中的三个基本要素（韧带移植体、骨隧道和移植体固定方式），对ACL重建中韧带移植体的数量（单/双束）、骨隧道的方向、界面螺钉的尺寸和材料进行了数值仿真研究，定量模拟了ACL重建后膝关节力学环境的改变，分析并优化了手术中骨隧道和螺钉的相关参数，为评估和改进ACL重建手术提供了生物力学的依据。
本文的主体部分包括：
（1）建立了具有较高精度的膝关节有限元模型，并着眼于关节面附近软组织的形变和接触情况对膝关节模型进行两项验证以确保模型的精度。
本研究根据健康男性膝关节的核磁共振影像，建立了膝关节的有限元模型。模型中包括了皮质骨、松质骨、软骨下骨、软骨、韧带和半月板组织。为了较精确地模拟膝关节面附近组织的力学响应，分别采用了正交各向异性实体单元和只受拉不受压的一阶桁架单元束来模拟半月板的主体部分和前后角部分；并且将骨组织分为了皮质骨、软骨下骨和松质骨分别加以考虑，赋予不同的材料属性。为后续研究关节面附近组织的力学响应奠定了基础。
着眼于关节面附近软组织的变形和接触情况对膝关节模型进行两项验证：（a）以屈膝45度时半月板的真实变形为标准，仿真计算得出的半月板变形与之基本重合，两者的偏差在核磁图像像素误差的范围内。（b）对膝关节施加一系列的竖直压力，以实验得到的内外侧关节面上的接触面积为标准，仿真计算得出的关节面接触面积始终在实验的标准差范围内。本文的验证充分考虑了关节组织的非线性和大变形的效应，为后续ACL重建的生物力学研究提供了保证。
研究采用验证后的模型进一步考察了软骨下骨硬化对软骨应力分布的影响，发现关节软骨上的应力水平随着软骨下骨的刚度增加而升高。这一结果意味着，骨性关节炎初期的软骨下骨硬化将会使关节软骨在日常生活中承受更大的载荷，从而可能会干扰到关节软骨上正常的生理活动，成为软骨退化的潜在原因。
（2）分析并比较了单束与双束ACL重建后的膝关节力学环境。
在正常膝关节模型的基础上分别建立了单束与双束ACL重建的膝关节模型。分析了膝关节在竖直受压、内旋和外翻3种典型载荷作用下的应力分布情况。研究发现，ACL重建后骨隧道周围发生了应力遮挡，可能引起骨隧道的形态发生改变，成为骨隧道扩大的诱因；骨隧道附近软骨下骨的应力增长，可能影响软骨正常的生理活动，成为骨性关节炎的诱因。与单束重建相比，双束重建后相邻骨隧道之间发生了显著的应力集中，可能导致两隧道间的骨损伤，与临床上骨隧道穿透的症状相吻合。
本研究采用了应力改变率这一指标来衡量手术前后应力分布的差异。应力改变率的分布情况从归一化的角度同时反映了高应力区和低应力区应力改变的程度，从而较清晰直观地显示出ACL重建前后骨隧道周围的应力改变情况。
（3）通过改变胫骨骨隧道的角度对术后的力学环境进行优化分析。
尽管力学环境的改变不可避免地出现在ACL重建之后，但是通过改变骨隧道的方向可以对力学环境改变的程度加以干预，以尽可能地减少手术对关节组织力学环境的影响。本研究分别以30°、45°、55°、65°和75°的胫骨骨隧道钻孔导向角建立了ACL重建后的膝关节有限元模型，分析了骨隧道的方向对胫骨力学环境的影响。研究发现，采用55°~65°的钻孔导向角能够在一定程度上缓减因ACL重建而导致的胫骨力学环境的异常，从而有利于术后膝关节的康复。
（4）通过改变界面螺钉的尺寸和刚度对术后的力学环境进行优化分析。
在ACL重建中，界面螺钉是用于固定韧带移植体的手术植入物，可能会对周围骨组织产生应力遮挡等不利的影响。本研究在单束ACL重建的膝关节模型上考察了不同的螺钉长度、直径和材料刚度对胫骨应变能密度分布的影响。研究发现界面螺钉会导致骨隧道附近的应力集中和应力遮挡现象，因而可能会逐渐的影响韧带移植物的固定和骨的修复。研究从生物力学的角度分析认为，采用刚度较低的长螺钉，一方面可以减少由于螺钉刚度所导致的应力遮挡效应，同时可以抑制“韧带移植体-骨隧道”的相对滑动和滑液侵入，因而更有利于ACL重建的远期疗效。
目前关于ACL重建中固定方式的研究主要着眼于术后近期韧带移植体的固定强度。然而，术后异常的力学环境可能会逐渐地影响韧带移植体的固定强度，这一远期的固定强度无法通过拔出力实验进行评价。因此，今后对于ACL重建中固定方式的研究需要进一步着眼于力学环境对于术后远期疗效的影响。
综上所述，本文建立并验证了人体膝关节的有限元模型，充分考量了关节组织的非线性和大变形效应，可为膝关节生物力学的研究提供基础。本文进一步研究了ACL重建前后膝关节力学环境的改变情况，分析了术后骨隧道扩大、骨隧道穿透和骨性关节炎等术后症状的生物力学因素，通过对骨隧道角度、螺钉尺寸和刚度进行优化，减少ACL重建对膝关节力学环境的影响，从而有利于术后关节的康复。本文的研究仍具有一定的局限性，在今后的研究中需结合实验进一步考察骨的改重建与螺钉的降解过程，充分考虑不同的人群和复杂的载荷条件对术后关节康复的影响，为手术方案的个性化设计和手术技术的改进提供理论依据。
相关内容
相关标签