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不同屈曲狀態(tài)下膝關節(jié)韌帶生物力學的有限元分析

2023-08-25 10:56 作者:醫(yī)學有限元  | 我要投稿

何川1 李彥林1 張振光2 仝路1 王國梁1 1 昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院運動醫(yī)學科(云南昆明 650032) 2 昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科

摘要?

目的:利用有限元法分析膝關節(jié)在不同屈曲角度受力后,前、后交叉韌帶,內、外側副韌帶的生 物力學特點。?

方法:選取1名健康成年男性為研究對象,建立其包含骨、韌帶、半月板和軟骨的左膝關節(jié)仿 真三維有限元模型;模擬膝關節(jié)在不同屈曲角度下,分別對股骨加載后向134N的力、內外翻10Nm的力矩, 以及外翻10Nm加內旋5Nm的聯合力矩,分析前交叉韌帶(ACL)、后交叉韌帶(PCL)、內側副韌帶(MCL)、外 側副韌帶(LCL)的應力分布及大小變化情況。

結果:對股骨加載后向134N應力后,膝關節(jié)在屈曲0°、30°、 60°和90°位時,ACL所受應力最大,PCL的應力最小,MCL的最大應力大于LCL, 均隨屈曲角度的增大而減 ??;施加外翻應力時,MCL所受應力最大,其次為ACL、PCL,LCL應力最?。粌确瓡r,LCL所受應力最大,其 次為PCL、ACL,MCL應力最??;聯合應力時,MCL應力最大, 其次為ACL, 遠遠大于PCL和LCL的應力,除 PCL之外,其他各韌帶的應力隨屈曲角度的增大而減小。?

結論:膝關節(jié)三維有限元模型可以模擬膝關節(jié)不 同運動狀態(tài)下的不同受力情況,可以有效地分析膝關節(jié)韌帶在不同運動狀態(tài)下的生物力學特性并推測其 損傷機制。所有韌帶的應力分布和大小隨著不同屈曲角度發(fā)生不同改變,損傷風險也發(fā)生相應改變。?

關鍵詞 有限元分析;膝關節(jié);韌帶;屈曲;內外翻;軸移;生物力學

? ???膝關節(jié)是人體最重要也是最容易損傷的關節(jié)之 一, 在膝關節(jié)的各種損傷中, 韌帶損傷占了很大的比 重。因此,探討膝關節(jié)韌帶的損傷機制顯得尤為重要, 可以為韌帶損傷的診斷、 預防和治療提供詳實的理論 依據。目前,關于膝關節(jié)韌帶生物力學的研究較多[1-4], 但關于不同屈膝狀態(tài)下特別是合并復雜載荷條件下韌 帶的生物力學特性和損傷機制的研究較少。通過建立 膝關節(jié)三維有限元模型, 可以有效地分析膝關節(jié)韌帶 在不同運動和受力狀態(tài)下的生物力學特性。本研究在 建立膝關節(jié)有限元模型的基礎上, 模擬不同屈膝狀態(tài) 下韌帶的受力情況, 探尋與韌帶損傷相關的生物力學 信息, 為今后膝關節(jié)有限元和韌帶損傷機制的深入研 究提供實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 研究對象及設備?

? ? 本研究選取1名健康成年男性為研究對象,年齡42 歲,身高170 cm,體重68 kg,排除膝關節(jié)創(chuàng)傷、腫瘤、感 染等疾病;掃描設備為1.5TMRI機(GE公司,美國);計 算機設備:Dell工作站Precision T7500;軟件:醫(yī)學影像 交互式軟件MIMICS14.11(Materialise公司,比利時),逆 向 工 程 軟 件Geomagic Studio 2012 (Geomagic公司,美 國),有限元分析軟件ABAQUS6.10(ABAQUS公司,美 國)。

1.2 膝關節(jié)三維有限元模型的建立?

? ? ?用1.5TMRI設備對研究對象的左膝關節(jié)于伸直位 進行矢狀位和橫軸位兩個方位的掃描 (掃 描 層 厚 1 mm,層間距0 mm,矩陣192×320,視場大小180 mm)。將 獲得的MRI圖像資料保存為DICOM格式, 導入醫(yī)學影 像交互式軟件MIMICS14.11重建出三維膝關節(jié)模型,模 型 中 包 括:脛 骨、股 骨、半 月 板、前 交 叉 韌 帶(Anterior cruciate ligament, ACL)、后交叉韌帶(Posterior cruciate ligament, PCL)、內 側 副 韌 帶(Medial collateral ligament, MCL)、外側副韌帶(Lateral collateral ligament, LCL),用 逆向工程軟件Geomagic Studio 2012對模型進行曲面的 修 飾 , 以 IGES 格式導入高級有 限元分析軟件 ABAQUS6.10(ABAQUS公司,美 國),得 到 膝 關 節(jié) 三 維 有限元模型(圖1)。

1.3 材料屬性及邊界條件?

? ? ?在研究膝關節(jié)韌帶的生物力學特性時, 膝關節(jié)各 結構的材料屬性對有限元分析結果影響很大。為了對 結果進行有效的驗證, 膝關節(jié)內各結構的力學材料屬 性均取既往文獻[5-7]。將骨材料設置為剛性材料,實際可 不考慮骨組織的變形;關節(jié)軟骨定義為線彈性材料,彈 性模量為20MPa,泊松比為0.46[6];半月板定義為線彈性 材料,彈性模量為59MPa,泊松比為0.49[7],見表1;所有 韌帶定義為超彈性材料。本文選用Neo-Hooker模型, Neo-Hooke函數如下[5]:

? ? ? 邊界條件定義如下:股骨不受約束,脛骨約束3個 平移自由度和屈曲自由度[8],半月板前后角與脛骨平臺 相連,各條韌帶的兩端分別與股骨、脛骨、腓骨相連,本 研究假定各接觸點為有摩擦接觸,摩擦系數0.2,并定義 了12個可能會發(fā)生接觸的區(qū)域,包括股骨軟骨下表面, 脛骨軟骨上表面,內、外側半月板上下兩表面,4條韌帶 可能發(fā)生接觸的表面[5],使用ABAQUS 中的通用接觸算法進行接觸模擬[9]。

1.4 加載條件及模型驗證?

? ? ? ?定義脛骨和腓骨為完全固定, 以股骨髁中點連線 為旋轉軸,對股骨施加轉動位移載荷,分別模擬膝關節(jié) 屈曲0°、30°、60°、90°的狀態(tài),在不同屈曲狀態(tài)下對膝關 節(jié)模型施加四種不同的載荷條件。(1)對股骨加載設置 為134 N 的股骨后向推力, 加載在股骨髁中點連線的 中點, 此載荷條件模擬膝關節(jié)前抽屜試驗及臨床上多 見的受力情況;(2)對膝關節(jié)施加10 Nm的內翻力矩,模 擬膝關節(jié)內翻動作;(3) 對膝關節(jié)施加10 Nm的外翻力 矩,模擬膝關節(jié)外翻動作;(4)對膝關節(jié)施加外翻10 Nm 和內旋5 Nm的聯合力矩,模擬臨床上的軸移試驗,此應 力狀態(tài)可以有效檢驗前交叉韌帶損傷, 分 析 時 采 用 ABAQUS6.10中的有限元顯式算法[9],如果驗證本實驗 中的模型有效, 則可進一步計算分析不同運動狀態(tài)下 膝關節(jié)韌帶的應力大小及分布情況。

2 結果?

2.1 三維有限元模型的建立?

? ? ?本實驗成功建立了膝關節(jié)三維模型, 包括股骨、脛 骨、ACL、PCL、MCL、LCL、半月板等結構,重建后的模型形 態(tài)逼真,空間相對位置準確,網格數96150個,節(jié)點31836 個,可以在任意剖面、角度進行觀察和分析,見圖1。

2.2 模型驗證?

? ? 為了驗證模型的有效性, 需將本模型的仿真結果 與其他研究結果作對比,根據模型的邊界條件設置,膝 關節(jié)的平移位移值取自股骨,即股骨上髁軸線的中點,兩個旋轉位移值取自脛骨。對MCL和LCL 的脛、腓骨附 著點相對脛骨平臺參考點的旋轉角度作平均, 進而獲 得相應的旋轉位移值。在屈曲0°位并受到股骨后向134 N的載荷時,本研究中的膝關節(jié)模型在前后(Anteriorposterior,AP)、 遠 近 (Proximal -distal,PD)、 內 外 (Medial-lateral,ML)3個方向上的位移分別為4.15 mm、 0.37 mm,1.42 mm,,內外 翻(Varus-valgus,VV)和內 外 旋(External-internal,EI)角度分別為0.71°和3.5°。在相 同載荷條件下, 本研究的結果與許多基于尸體標本或 有限元模型研究中的關節(jié)位移值和活動角度相似[2,10-12], 見表3,其中,Gabriel[2]的研究基于尸體,切除了膝關節(jié) 周圍軟組織,保留了主要韌帶,而萬超[10]、Song [11]、Suggs [12]的研究均是基于實體的三維重建有限元模型,邊界、 加載條件均和本研究相同, 可以很好地驗證本模型的 有效性,本研究中的ACL的峰值應力為20.82 Mpa,位于 股骨附著點處,其余大部分應力為6~12 Mpa,主要分布 于ACL體部的前外側(圖2),此結果與萬超[10]及Zhang等 [13]的報道中ACL的應力特點相符,以上關節(jié)活動參數和 韌帶應力分布特點驗證了本研究中膝關節(jié)有限元模型 的有效性。

2.3 膝關節(jié)主要韌帶在不同屈曲角度受力時的生物力學特性

? ??? 膝關節(jié)在屈曲0°、30°、60°、90°位并受到股骨后向 134N的載荷時,股骨相對脛骨產生位移,以前后位移為 主,0°時位移最小,為4.13 mm,30°時位移最大,為6.85 mm,其他方向的位移量和角度較小,在各屈曲角度間 變化不大,見表4。有限元應力云圖顯示,ACL在各狀態(tài) 下 的 峰 值 應 力 分 別 為 20.82 MPa、25.91 MPa、20.00 MPa、23.34 MPa,見圖2、3、4、5,主要分布于股骨附著點 周圍,0°時韌帶的峰值應力和體部應力主要分布于外 側方,見圖3, 隨著膝關節(jié)的屈曲,峰值應力和體部應力 逐漸移到前內側方,30度位時應力最大,其余位置應力 變化不大,見圖4、5、6。PCL在各狀態(tài)下的峰值應力大小 分 別 為1.909 MPa、2.102 MPa、2.508 MPa、3.590 MPa, 見圖2,在屈曲0°位時韌帶應力最小,見圖3, 隨著屈膝 角度的增加,應力逐步增加,但變化范圍不大,應力主 要分布于股骨和脛骨附著區(qū)域, 峰值應力由韌帶的中 部前外側逐漸轉移到了外側,見圖4、5、6。MCL的峰值應 力 分 別 為 7.166 MPa、6.970 MPa、5.674 MPa、5.297 MPa,分布于股骨附著區(qū),隨著屈曲角度的增大,應力 逐 步 減 小 ,LCL 的峰值應力分 別 為 3.714 MPa、2.674MPa、2.006 MPa、1.614 MPa, 分布于脛骨股骨附著區(qū), 隨著屈曲角度的增大,應力逐步減小,見圖2、3、4、5、6。

模型在屈曲0°位受到10Nm的內翻載荷時,LCL受到的應力最大, 為12.56MPa, 其次PCL為5.78MPa,ACL 為3.14MPa,MCL為0.55, 在屈曲30°、60°、90°時,PCL在 60°開始應力量有所增加, 其余各韌帶應力逐漸下降,到的應力最大, 為12.56MPa, 其次PCL為5.78MPa,ACL 為3.14MPa,MCL為0.55, 在屈曲30°、60°、90°時,PCL在 60°開始應力量有所增加, 其余各韌帶應力逐漸下降,各韌帶應力的大小順序無改變。 見圖7。

? ? ?模型在屈曲0°位受到10Nm的外翻載 荷時,MCL受 到的應力最大, 為10.38MPa, 其次ACL為3.38MPa,PCL為0.82,LCL為0.35,在屈曲30°、60°、90°時,PCL在60°開 始應力有所增加,其余各韌帶應力逐漸下降,各韌帶應 力的大小順序無改變。 見圖8。

? ? 模型在屈曲0°位受到10Nm外翻加5Nm內旋的聯合 載荷時,MCL受到的應力最大, 為13.72MPa, 其次ACL 為6.27MPa,PCL為2.02MPa,LCL為0.48, 在 屈 曲 30° 、60°、90°時,PCL在60°開始應力有所增加, 其余各韌帶 應力逐漸下降,各韌帶應力的大小順序無改變。 見圖9。

3 討論?

? ? ?有限元法可以解決傳統生物力學研究中無法求解 的具有復雜形狀的人體結構的生物力學分析問題,還 能克服傳統研究方法的缺點如花費較高、 標本收集周 期長、耗時、難以獲得全域性的信息等。 在研究膝關節(jié) 韌帶的生物力學時,有限元模型逼真、客觀、精確,可以 模擬膝關節(jié)的不同運動及受力狀態(tài), 得到韌帶在復雜 情況下全面的應力分布特點[5-13]。 目前,多數有限元相 關研究只針對單一韌帶進行分析[8,10-15],而膝關節(jié)在運 動和受力時, 有多個韌帶的協同作用來共同維持膝關 節(jié)的穩(wěn)定性, 所以很有必要同時研究所有主要韌帶的 生物力學特性。 本研究建立了包含膝關節(jié)所有主要韌 帶的三維有限元模型, 改良的模型高度模擬了較為完 整膝關節(jié)的屈曲運動和受力狀態(tài), 得到了以往研究中 所缺乏的各韌帶復雜的生物力學數據。

? ???MRI對膝關節(jié)軟、 硬組織均具有高分辨率和三維 掃描優(yōu)勢,是關節(jié)疾病影像學診斷的“金標準”,它可多 方位成像、優(yōu)良顯示骨、軟骨、肌肉和韌帶等組織,尤其 對韌帶的顯示更具有優(yōu)勢[16]。 本實驗利用膝關節(jié)及所 有主要韌帶高精度1.5TMRI的二維圖像數據,重建出三 維有限元模型, 可以更加全面精確地觀測膝關節(jié)所有 主要韌帶及其他結構, 精確模擬膝關節(jié)不同的屈曲及 受力狀態(tài), 得出膝關節(jié)各主要韌帶在不同情況下量化 的生物力學信息, 從而更為全面地探索膝關節(jié)各主要 韌帶復雜的生物力學特性及可能的損傷部位。

? ? ?本研究于膝關節(jié)在不同屈曲狀態(tài)下對股骨施加 134N的后向載荷, 模擬了膝關節(jié)經??赡馨l(fā)生的運動 受力和損傷情況, 并便于與其他類似研究作對比及驗 證[2,8,10-13],本研究的驗證結果與其他研究者的生物力學 實驗結果相似, 說明了本研究中膝關節(jié)有限元模型的 有效性。 存在的差別可能是由研究對象的個體差異性本研究于膝關節(jié)在不同屈曲狀態(tài)下對股骨施加 134N的后向載荷, 模擬了膝關節(jié)經??赡馨l(fā)生的運動 受力和損傷情況, 并便于與其他類似研究作對比及驗 證[2,8,10-13],本研究的驗證結果與其他研究者的生物力學 實驗結果相似, 說明了本研究中膝關節(jié)有限元模型的 有效性。 存在的差別可能是由研究對象的個體差異性.

? ? ?本研究詳細分析出了股骨、 脛骨在不同運動受力 狀態(tài)下的相對位移、 角度以及各主要韌帶的應力大小 和分布變化規(guī)律,能更為簡便、直觀、細致地探討膝關 節(jié)的運動規(guī)律及各主要韌帶的生物力學特性和損傷機 制。 結果提示,在伸直位到屈膝90°位過程中,在股骨受 到后向134N的載荷時,股骨相對脛骨產生位移,以前后 位移為主,0°位移最小, 為4.13mm,30°時位移最大,為 6.85mm,其他方向的位移量和角度較小,在各屈曲角度 間變化不大, 前交叉韌帶所承受的載荷大于其他主要 韌帶。 這說明前交叉韌帶主要起到防止脛骨前移的主 要作用,也是最容易損傷的韌帶,其股骨止點附近應力 最大,是ACL損傷最常見的區(qū)域,這一點與相關報道的 結果較為一致[4,10,11,13]。 屈曲過程中,ACL中部的應力從 后外方轉移到前內方, 提示后外束和前內束在膝關節(jié) 屈曲過程中起到相互協同作用, 韌帶中部的應力從后 外束逐步轉移到前內束,且應力先增加后減小,在30° 時應力最大, 提示ACL可能在屈膝至30°且脛骨受到前 向載荷時,韌帶最容易損傷。 在受到10Nm的內翻載荷 時,ACL所受應力小于MCL和PCL,與PCL共同起到對膝 內翻的次要限制作用。 受到外翻應力時,ACL受到牽張 作用加大,大于內翻時應力,且大于PCL的應力,這可能 與前交叉韌帶的后外向前內側走形的形態(tài)相關。 內翻 時,ACL受到牽張的作用較小,小于PCL,而外翻時,受 牽張作用明顯加大, 成為除了MCL之外限制膝外翻的 主要結構, 這一結果也支持了膝外翻暴力通常會同時 導致MCL和ACL的損傷[8]。 在受到模擬軸移試驗的聯合 載荷(外翻10Nm加內旋5Nm)時,ACL應力較單純外翻 時加大,提示ACL具有同時限制膝外翻及內旋的作用, 這與相關研究結論相符合[14]。 ACL在內外翻及聯合載荷條件下,應力隨屈曲角度加大而減小,提示ACL的損傷 風險隨屈曲角度的增加而減小。

? ? ? PCL在受到股骨后向載荷時, 應力遠小于ACL,提 示PCL在受到股骨后向外力的情況下,處于相對松弛的 狀態(tài),受損傷的風險遠低于ACL,受到內翻載荷時,PCL 開始出現較大應力, 僅次于LCL, 提示PCL是對抗膝內 翻的次要結構。外翻時,PCL應力很小,說明其處于松弛 狀態(tài)。 受到聯合載荷時,PCL的應力有所增大,提示PCL 受到了內旋活動的牽張,從而產生了一定應力,可能原 因為:PCL更接近膝關節(jié)中心, 其形態(tài)呈后內向前外走 形, 在膝關節(jié)內的作用主要表現為對脛骨后移的限制 和對部分旋轉功能的調節(jié), 故其對于膝關節(jié)運動軸來 說只有一個相當小的力矩,受膝關節(jié)屈曲、外翻和股骨 后向運動的影響較小[17-19]。隨著屈曲角度大于60°時,PCL 應力出現增加,可能原因為隨著屈曲角度增大,前后交 叉韌帶發(fā)生的應力趨勢交聯, 即ACL的應力趨勢發(fā)生 改變, 且脛骨產生相對后移,PCL開始受到一定的牽拉 而產生應力增加[17-19],從而共同維系膝關節(jié)的前后穩(wěn)定 性。

? ? ?MCL結構復雜,是膝關節(jié)重要的內側穩(wěn)定結構[20,21], 在受到股骨后向外力時,產生的應力僅次于ACL,對維 持膝關節(jié)的前后穩(wěn)定性起到次要作用。 隨著屈曲角度 的增大,MCL的應力逐漸減小,最大應力均集中在股骨 附著點區(qū)域,說明MCL在伸直和屈曲較小角度時,具有 較高的損傷風險,可能損傷的區(qū)域為股骨附著區(qū)域,損 傷風險隨屈曲角度的增大而減小。 內翻時,MCL處于松 弛狀態(tài),產生的應力很小。 外翻時,MCL成為對抗外翻 的最主要結構, 產生較大應力, 維持了膝關節(jié)的穩(wěn)定 性。 MCL在受到聯合載荷時,應力有所增大,其原因可 能為MCL受到內旋活動的牽拉而增大了應力, 隨著屈 曲角度的增大,MCL逐漸松弛,從而導致應力逐步減小 [20-21]。 LCL是膝關節(jié)后外側角的重要組成部分, 其作用 是限制脛骨內翻及外旋[19,22]。 在受到股骨后向外力時, LCL所受應力較小,說明其不是限制脛骨前移的主要結 構,內翻時,MCL成為對抗外翻的最主要結構,產生最 大應力, 而受到外翻和聯合載荷時,LCL產生的應力都 很小,說明其均處于松弛狀態(tài),對外翻和內旋均無限制 作用[19]。 隨著屈曲角度的增大,其應力和損傷風險逐漸 減小,這一點與MCL的應力變化規(guī)律相同,其原因可能 為膝關節(jié)屈曲角度加大時,LCL逐漸松弛, 且脛骨產生 相對后移,削弱了對股骨施加后向外力的作用。 本實驗 得出的韌帶生物力學結果與相關文獻[2,8,10,13,14,19-21]中相 對應的單一韌帶的部分力學分析結果相似。 與類似研 究不同, 本實驗結果包含所有膝關節(jié)主要韌帶在不同 復雜載荷條件下的應力大小和分布變化規(guī)律, 從而可 以更為全面詳細地推斷各韌帶在不同運動狀態(tài)下容易損傷的部位。

? ? ?本研究的結果證實了所構建的膝關節(jié)有限元模型 具有較高的可信度, 得出的結論為膝關節(jié)各主要韌帶 復雜的運動損傷機制提供了理論基礎, 并且可以為進 一步探討膝關節(jié)韌帶損傷后的重建手術方案、 移植物 選取、解剖重建等長點的選擇、術后的康復方案、運動 安全防護計劃等醫(yī)療措施提供更為詳實的理論數據。?

? ? ? 本實驗尚存在一定缺陷, 實驗中加載的力是基于 靜態(tài)的膝關節(jié)屈曲位置, 而現實中韌帶受到損傷時的 力往往為動態(tài)過程中突發(fā)的高能量暴力, 本實驗尚不 能完全模擬現實中的條件;本實驗沒有考慮髕腱、股四 頭肌、關節(jié)囊、半腱肌、半膜肌等結構對膝關節(jié)韌帶生 物力學的影響,結果與實際情況可能存在一定差異。 下 一步的研究將盡量保持模型的完整性, 并考慮聯合加 載旋轉或內外翻等復雜載荷條件來分析膝關節(jié)主要韌 帶更為復雜的損傷機制。

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不同屈曲狀態(tài)下膝關節(jié)韌帶生物力學的有限元分析的評論 (共 條)

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