齊勇?1?孫鴻濤?1?樊粵光?2?黎飛猛?1?王韻廷?1?葛茶娜?1

1?廣東省第二人民醫(yī)院骨科（廣州?510310）

2?廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科（廣州?510405）

摘要 目的：探討脛骨平臺后傾角對前交叉韌帶及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的生物力學(xué)影響。方法：選擇一名健康志愿者行左側(cè)膝關(guān)節(jié)?CT?及?MRI?掃描，測量脛骨平臺后傾角為?7°。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入?Mimics?軟件，獲得骨、軟骨、半月板、韌帶等結(jié)構(gòu)的三維模型，然后利用?Geomagic?對圖像進(jìn)行修飾，再導(dǎo)入?Solidworks?軟件中建立伸直位膝關(guān)節(jié)三維模型。利用?Solidworks?軟件建立?2°和?12°兩種不同后傾角的膝關(guān)節(jié)三維模型。在建立三組膝關(guān)節(jié)伸直位模型后，?每組模型再分別建立屈膝?30°和?90°的模型。將膝關(guān)節(jié)不同三維有限元模型導(dǎo)入ANSYS?有限元分析軟件中，給予加載負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算分析：伸直位模型脛骨固定，股骨側(cè)給予施加?1150 N?的垂直負(fù)荷；屈膝?30°模型脛骨固定，股骨施加?750 N?垂直負(fù)荷及?10 N·m?的外旋負(fù)荷；屈膝?90?度模型股骨側(cè)固定，脛骨側(cè)施加?134 N?的前向負(fù)荷。在各模型中分析?ACL?及脛骨-股骨的相對位移。結(jié)果：計(jì)算機(jī)三維有限元分析顯示，在伸膝狀態(tài)下，ACL?承受的張力隨著脛骨后傾角的增加而增加：PTS?為?2°時?ACL?張力為?12.195 N，7°時為?12.639 N，12°時為?18.658 N；脛骨-股骨相對位移：PTS?為?2°時為?2.735 mm，7°時為?3.086 mm，12°時為?3.881 mm。在屈膝?30°的模型中，前叉韌帶所承受的最大張力如下：2°時為?24.585 N，7°時為?25.612N，12°時為?31.481 N；脛骨-股骨位移為：2°時為?5.590 mm，7°時為?6.721 mm，12°時為?6.952 mm。在屈膝?90°的模型中，前叉韌帶所承受的最大張力如下：2°時為?5.119 N，7°時為?8.674 N，12°時為?9.314 N；脛骨-股骨位移為：2°時為?0.276 mm，7°時為?0.577 mm，12°時為?0.602 mm。結(jié)論：在膝關(guān)節(jié)承受應(yīng)力時，隨著?PTS?的增加，ACL?承受的張力和脛骨-股骨之間相對位移都隨之增大，較大的?PTS?可能是?ACL?損傷的危險因素。

關(guān)鍵詞 脛骨后傾角；前交叉韌帶；膝關(guān)節(jié)；有限元分析

? ? ?膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶?（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是常見運(yùn)動損傷之一，其中有約超過?70%是非接觸性事件造成的[1]。目前非接觸性前交叉韌帶損傷的危險因素包括：運(yùn)動類型、女 性、髁間窩形態(tài)、疲勞等。近年來，脛骨平臺后傾角（posterior tibialslope，PTS）對非接觸性前叉韌帶損傷的影響開始逐漸受到關(guān)注，但目前文獻(xiàn)報道多局限于臨床多因素的觀察[2，3]，而且結(jié)論并不一致，對于單獨(dú)后傾角變化在?ACL?損傷中的意義缺少基礎(chǔ)方面的研究[3-6]。為進(jìn)一步研究?PTS?與膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的關(guān)系，?本研究采用膝關(guān)節(jié)三維有限元分析方法，研究脛骨平臺后傾角變化對?ACL?及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的力學(xué)影響。

1?材料與方法

1.1?研究對象及設(shè)備

? ? ?選擇一名健康男性志愿者作為研究對象，身高?175cm，體重?75 kg，體重指數(shù)?BMI?為?24.5，平時膝關(guān)節(jié) 無慢性疼痛病史，既往無膝關(guān)節(jié)外傷病史。

???采用的設(shè)備為：Philips Achieva 1.5T?雙梯度核磁共振，Philips Ingenuity core 128?層螺旋?CT。?

? ??工作 平 臺：LENOVO?工作 站，?計(jì) 算 機(jī) 性 能 參 數(shù)，CPU：I7-3770，內(nèi)存：32G；操作系統(tǒng)：Windows7。?

? ?采用的分析軟件：Mimics 10.01，Geomagic 2013，solidworks 2012，ANSYS 14.5。

1.2?膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立

1.2.1?原始數(shù)據(jù)的獲取

? ?告知志愿者檢查的內(nèi)容及注意事項(xiàng)，?簽訂知情同意書。受試者左側(cè)膝關(guān)節(jié)伸直位（屈膝?0°）進(jìn)行?CT?及MRI?掃描，?獲取該側(cè)膝關(guān)節(jié)上下各?15 cm?范圍內(nèi)的組織 結(jié) 構(gòu)?CT?和?MRI?圖像。CT?掃描 層 厚 為?0.625 mm，MRI?掃描為?0.8 mm，掃描的圖像保存為?DICOM?格式。

1.2.2?建立骨、軟骨、韌帶和半月板組織的初步模型

將?DICOM?格式的?CT?掃描數(shù)據(jù)和?MRI?掃描數(shù) 據(jù)分別導(dǎo)入?Mimics 10.01?軟件，?利用系統(tǒng)中的圖像分割和組織自動提取功能，進(jìn)行精確三維分割與模型重建。從?CT?掃描數(shù)據(jù)中分割獲取骨骼組織的三維模型（見圖1）。

MRI?掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入?Mimics?軟件后，可以看到膝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面、橫斷面和一個三維視圖。分別將軟骨、?半月板、?內(nèi)外側(cè)副韌帶以及交叉韌帶進(jìn)行輪廓描繪，分割后保存數(shù)據(jù)，獲得膝關(guān)節(jié)軟骨、半月板、韌帶等結(jié)構(gòu)的初步數(shù)據(jù)模型（見圖?2）。

? ?利用?Geomagic 2013?軟件中的表面網(wǎng)格編輯工具對各部分三維模型，特別是對?MRI?掃描數(shù)據(jù)重建的三維模型進(jìn)行必要的編輯修改，使模型更光滑、柔順，得到高質(zhì)量的表面模型。在?Solidworks 2012?軟件中基于兩種不同模態(tài)數(shù)據(jù)的軟組織表面三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)對齊，將從?MRI?掃描數(shù)據(jù)重建出主要韌帶、半月板等三維 模 型 的 位 置 轉(zhuǎn) 換 到?CT?掃 描 數(shù) 據(jù) 空 間?。?使 用Solidworks?中的生物力學(xué)有限元網(wǎng)格劃分器從三維實(shí)體模型直接劃分生成各部分的高質(zhì)量體網(wǎng)格，?并集成為完整的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。

? ?最后用?ANSYS?軟件轉(zhuǎn)換接口將膝關(guān)節(jié)三維有限元模型導(dǎo)入?ANSYS 14.5?有限元分析軟件，劃分四面體單元，以提高數(shù)值計(jì)算的精度，模型劃分為?48909?個單元，81593?個節(jié)點(diǎn)（見圖?3）。

1.2.3?不同屈膝角度模型及不同脛骨平臺后傾角模型的建立

? ?通過?MRI?矢狀位圖像，按照文獻(xiàn)[7]描述的方法進(jìn)行脛骨內(nèi)側(cè)?PTS?的測量，經(jīng)測量，脛骨內(nèi)側(cè)平臺后傾角為?7°。采用?Solidworks 2012?圖像處理軟件的切割功能在脛骨平臺下做截骨，?通過旋轉(zhuǎn)截骨近側(cè)端調(diào)整平臺的后傾角度，?旋轉(zhuǎn)后的間隙采用相同屬性材料的骨質(zhì)填充技術(shù)，?分別重建出后傾角分別為?2°、12°膝關(guān)節(jié)模型。這樣就獲得?3?種不同后傾角的膝關(guān)節(jié)模型，分別定義：后傾角?2°的模型為?A?組，后傾角?7°的模型為?B?組，后傾角?12°的模型為?C?組。

? ?在重建后三組模型中，?將股骨在軟件中做向后的旋轉(zhuǎn)，分別為?30°和?90°，建立屈膝分別?30°、90°的骨骼模型，?微調(diào)膝關(guān)節(jié)各條韌帶的空間位置以達(dá)到更好的空間吻合，?修正應(yīng)力集中和可能造成后期計(jì)算干擾的區(qū)域。這樣就建立了三組在屈膝?0°、屈膝?30°、屈膝?90°不同屈膝狀態(tài)的模型，見表?1。

1.3?材料屬性及邊界條件

?? ?參考有關(guān)文獻(xiàn)資料[8，9]，實(shí)驗(yàn)加載分析過程，骨組織結(jié)構(gòu)相對于軟組織結(jié)構(gòu)（包括關(guān)節(jié)軟骨、半月板）變形較小，因此，我們將股骨、脛腓骨的材料特性設(shè)置為彈性模量為?2.06×105?MPa、泊松比大小為?0.30?的各向同性的彈性材料；將關(guān)節(jié)軟骨、半月板分別設(shè)置為彈性模量為?5 MPa、泊松比大小為?0.46?和彈性模量為?59 MPa、泊松比大小為?0.49?的均勻、連續(xù)、各向同性的彈性材料；將韌帶設(shè)置為均勻、連續(xù)、各向同性的粘彈性材料，彈性模量為?215.3 Mpa、泊松比大小為?0.40（見表?2）。

? 為了使模型更接近于實(shí)體，?將各條主要韌帶兩端與其解剖附著點(diǎn)設(shè)定為共節(jié)點(diǎn)接觸連接；設(shè)定關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)表面與骨組織的表面相固定，半月板的前角、后角以及內(nèi)側(cè)半月板外周邊與脛骨平臺的邊緣相固定，以此來模擬半月板在脛骨平臺的附著。軟骨與半月板之間為面面接觸，接觸屬性為非線性無摩擦接觸。

1.4?加載條件

1.4.1?屈膝 0°模型上，脛骨在?X、Y、Z?軸上均給予固定，在股骨髁上、?內(nèi)側(cè)副韌帶附著點(diǎn)水平給予加載?1150 N的垂直負(fù)荷，?觀察股骨與脛骨的相對位移及前叉韌帶所承受的張力。

1.4.2?屈膝 30°模型上，?脛骨在?X、Y、Z?軸上均給予固定，在股骨髁上、內(nèi)側(cè)副韌帶附著點(diǎn)水平給予加載?750N?的垂直負(fù)荷及?10 N·m?的外旋應(yīng)力。

1.4.3?屈膝 90°模型上，股骨側(cè)在?X、Y、Z?軸上均給予固定，脛骨遠(yuǎn)端面上采用點(diǎn)固定的方式（允許脛骨在外力下以該點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)），在脛骨關(guān)節(jié)面下方給予前向?134 N?的前向負(fù)荷。

2 結(jié)果

2.1?屈膝 0°，脛骨在?X、Y、Z?軸上均給予固定，在股骨髁上，內(nèi)側(cè)副韌帶附著點(diǎn)水平給予加載?1150 N?的垂直負(fù)荷，?三組模型中股骨產(chǎn)生的最大位移分別為：A1?組為?2.735 mm，B1?組為?3.086 mm，C1?組?3.881 mm，見圖4～6。?

前交叉韌帶所承受的最大張力如下：A1?組為?12.195 N，B1?組為?12.639 N，C1?組?18.658 N。?見圖?7～9。

2.2屈膝 30°，脛骨在?X、Y、Z?軸上均給予固定，在股骨髁上、?內(nèi)側(cè)副韌帶附著點(diǎn)水平給予加載?750 N?的垂直負(fù)荷及?10 N·m?的外旋應(yīng)力。三組模型中股骨產(chǎn)生的最大位移分別為：A2?組為?5.590 mm，B2?組為?6.721 mm，C2?組?6.952 mm，見圖?10～12。

前交叉韌帶所承受的最大 張 力 如 下：A2?組為?24.585 N，B2?組為?25.612 N，C2組?31.481 N，見圖?13～15。

2.3?屈膝 90°，股骨側(cè)在?X、Y、Z?軸上均給予固定，脛骨遠(yuǎn)端采用點(diǎn)固定的方式，在脛骨關(guān)節(jié)面下方脛骨結(jié)節(jié)水平給予前向?134 N?的前向負(fù)荷?。三 組 模 型 中 股 骨產(chǎn) 生 的 最 大 位 移 分 別 為?：A3?組為0.276 mm，B3?組為0.577 mm，C3?組?0.602 mm，見圖?16～18。

前交叉韌帶所承受的最大張力如下：A3?組為?5.119 N，B3?組為?8.674N，C3?組?9.314 N，見圖?19～21。

3 討論

? ?膝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷一直是骨科運(yùn)動醫(yī)學(xué)討論和研究的熱點(diǎn)。以往研究的焦點(diǎn)主要是韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)功能損害以及修復(fù)重建的手術(shù)方法。近年來，關(guān)于膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷的研究逐漸進(jìn)入到損傷機(jī)制的探討上來，?尤其是對于膝關(guān)節(jié)非接觸性?ACL?損傷機(jī)制的探討獲得了一定的進(jìn)展。女性、月經(jīng)期、運(yùn)動疲勞、遺傳基因等都被認(rèn)為是?ACL?損傷的易患因素[10-13]。

??脛骨平臺后傾角（PTS）與非接觸性?ACL?損傷關(guān)系引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。有學(xué)者認(rèn)為后傾角度增加，導(dǎo)致脛骨前移及?ACL?負(fù)荷的增加，由此影響膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能，增加?ACL?損傷的風(fēng)險[14-16]。Giffin?等[15]對10?具尸體標(biāo)本進(jìn)行截骨，將后傾角平均增大了?4.4°，在200 N?軸向應(yīng)力作用下屈膝?30°時脛骨前移了?4.7 mm。Dare?在臨床研究中也發(fā)現(xiàn)，較大的后傾角是?ACL?損傷的危險因素，在其研究中，后傾角大于?4°預(yù)測?ACL?損傷的敏感性?76%，特異性是?75%[16]。?同樣?PTS?較大的患者在重建?ACL?后存在著相對較高的失敗率，甚至有作者在進(jìn)行?ACL?重建時一期行截骨手術(shù)以減小?ACL?的張力[17，18]。

??然而，目前的研究對于?PTS?和?ACL?損傷風(fēng)險的關(guān)系結(jié)果并不一致。Hudek、Kostogiannis?等[3，19]研究認(rèn)為PTS?的變化與?ACL?損傷并沒有關(guān)系。Hudek?采用嚴(yán)格對照研究 后指出，?無論內(nèi)側(cè)還是外側(cè)骨性?PTS?均與ACL?的損傷沒有明顯的相關(guān)性。?Kostogiannis?對比 了ACL?斷裂后表現(xiàn)有明顯膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)而要求行重建手術(shù)患者的?PTS?和沒有表現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定未接受?ACL重建患者的?PTS?后發(fā)現(xiàn)，后傾角較小的患者在?ACL?損傷后反而膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定表現(xiàn)的更明顯，?因此認(rèn)為?PTS越大，反而膝關(guān)節(jié)更穩(wěn)定，需要重建的比率更低。因此，并不能認(rèn)為?PTS?角度的增加會增加?ACL?損傷的風(fēng)險。

? ?文獻(xiàn)關(guān)于?PTS?是否成為非接觸性?ACL?損傷中的高危因素存在爭議，原因可能有：（1）研究的方法存在差異，如部分研究是通過不同的尸體標(biāo)本進(jìn)行研究的，有些研究結(jié)果通過臨床觀察獲得的。?這種研究方法存在一個重要缺點(diǎn)，?那就是不同的標(biāo)本除了后傾角有差異外，其他方面也存在差異，如內(nèi)、外側(cè)后傾角的差值、髁間窩的大小、半月板的厚度等，這些因素都可能對研究結(jié)果形成干擾；（2）研究的對象不同，人種之間不同也可能導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)不同，甚至完全相反。

??為了研究?PTS?單一因素對于?ACL?的生 物力學(xué)和膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，減少其他因素帶來的干擾，本研究采用計(jì)算機(jī)逆向重建的方法，?建立正常人體膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型，?然后采用計(jì)算機(jī)有限元分析的方法進(jìn)行了研究。?該方法能夠利用影像學(xué)數(shù)據(jù)，重建高度仿真的膝關(guān)節(jié)模型，克服了尸體標(biāo)本不足的缺點(diǎn)。?在研究中，我們建立不同后傾角，保證了除后傾角外，其他解剖參數(shù)一致，?同時建立后傾角的方法不同于尸體上截骨然后固定的方式，?能夠除去截骨后骨質(zhì)不連續(xù)和鋼板與骨質(zhì)彈性模量等差異帶來的影響。

???在研究中，設(shè)定特定的限制條件后并加載負(fù)荷后，計(jì)算膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的受力和產(chǎn)生的位移。我 們 根 據(jù)Sathasivam?和?Walker?的研究結(jié)果設(shè)定負(fù)荷的加載，同時參考相關(guān)文獻(xiàn)[20-22]，膝關(guān)節(jié)伸直狀態(tài)加載?1150 N?的負(fù)荷為?70 kg?正常人行走步態(tài)中單側(cè)膝關(guān)節(jié)承受的最大負(fù)荷，?屈膝?30°時加載?750 N?沿股骨的負(fù)荷和?10 N.m?的外旋負(fù)荷是模擬人在起跳前或者落地時的膝關(guān)節(jié)工況，屈膝?90°時?114 N?的負(fù)荷主要是為了便于和相關(guān)文獻(xiàn)對照[21，22]。實(shí)驗(yàn)中，為了方便模型負(fù)荷加載和計(jì)算，在研究膝關(guān)節(jié)前方方向的穩(wěn)定性時，?我們選擇固定脛骨，計(jì)算在加載負(fù)荷時脛骨-股骨之間的相對位移。研究發(fā)現(xiàn)，改變脛骨后傾角度后，無論在伸直位還是在屈曲位施加應(yīng)力，?脛骨與股骨之間產(chǎn)生的位移都會隨著后傾角度的增加而增大。?膝關(guān)節(jié)伸直位模型中，股骨給予施加?1150 N?縱行負(fù)荷后，PTS?為?2°時兩者間相對位移最大為?2.735 mm，PTS?增加到?12°時，?相對位移達(dá)到3.881 mm。?在?30°以及?90°模型中，結(jié)果類似。

? ?同樣，?前交叉韌帶承受的張力變化也表現(xiàn)出同樣的趨勢。研究結(jié)果顯示，在膝關(guān)節(jié)伸直的狀態(tài)下，給予1150 N?軸向負(fù)荷，ACL?產(chǎn)生的張力也隨著?PTS?角度的增 加 而 增 加：PTS?為?2°時?ACL?承受 的 張 力 是?12.195N，7°時為?12.639 N，12°時為?18.658 N；屈膝?90°脛骨給予前向?134 N?的應(yīng)力時，PTS?為?2°時?ACL?承受的張力為?5.119 N，7°時為?8.674 N，12°時為?9.314 N。?

? 本研究提示，隨著?PTS?的增大，在承受垂直以及前向應(yīng)力時前交叉韌帶承受的張力，以及脛骨-股骨之間的相對位移也隨之增大。?可以推測，較大的?PTS，將導(dǎo)致?ACL?在運(yùn)動中承受更大的應(yīng)力，是?ACL?非接觸性損傷的一個高危因素。

? ?本研究結(jié)果支持目前大部分臨床觀察的結(jié)果，即PTS?是前交叉韌帶損傷的高危因素。但是在臨床上，每個膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)都不盡相同，除?PTS?外，脛骨內(nèi)外側(cè)后傾角之間的差值、半月板后傾角、髁間窩的形態(tài)等都有可能對實(shí)際運(yùn)動中?ACL?受力的情況產(chǎn)生影響。?因此?PTS?在非 接 觸 性?ACL?損傷 中 的 意 義 以 及 可 能 對ACL?重建方式選擇的影響仍有待于進(jìn)一步的臨床研究。