文題釋義：

髕骨脫位：一種常見的膝關節(jié)疾病，在所有膝關節(jié)疾病中的發(fā)病率約占3%，大多數(shù)發(fā)生于青年，女性多于男性。其發(fā)病原因較多：內側髕股韌帶損傷、髕骨發(fā)育畸形、股骨滑車發(fā)育不良、多發(fā)韌帶松弛等，根本是髕股關節(jié)在屈伸活動中所處的異常力學環(huán)境。

內側髕股韌帶重建：是治療髕骨脫位的主要手術方式，其目的在于恢復髕股關節(jié)的穩(wěn)定及對位關系，防止再次脫位。治療髕骨脫位的手術方法較多，其中軟組織韌帶的重建尤為重要，目前絕大多數(shù)此類患者可以通過內側髕股韌帶重建的方式達到滿意的治療效果。

摘要

背景：髕股韌帶重建有多種手術方式，其中股骨止點選取對手術實施影響較大，目前針對股骨止點的選取有多種方式，但無定論。

目的：通過三維有限元軟件分析膝關節(jié)不同屈曲狀態(tài)下內側髕股韌帶(MPFL)股骨重建止點位置改變對髕股關節(jié)應力的影響，從而選擇出合理準確的股骨重建止點。

方法：獲取成年人正常膝關節(jié)CT數(shù)據，導入Mimics、Geomagic及Soildworks軟件進行提取模具、添加韌帶，其中韌帶的股骨止點選擇分別為股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點、股骨內上髁、內收肌結節(jié)、股骨髁間窩頂部向內髁投射點和內收肌結節(jié)下10 mm，再將添加韌帶后的模具導入機械軟件Ansys，對不同股骨止點重建后髕股關節(jié)應力進行生物力學的有限元分析。

結果與結論：①在膝關節(jié)屈曲?0°和30°時，選取任一股骨止點產生的髕股關節(jié)應力大于其他屈曲角度(60°，90°，120°)；無論采取哪種位點作為股骨端止點，當膝關節(jié)屈曲超過30°時，髕股關節(jié)間的接觸應力大小基本無差別；②在膝關節(jié)屈曲?0°和30°時，以內收肌結節(jié)為止點的髕股接觸壓力最大，以股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點為止點的接觸力最小；在膝關節(jié)屈曲30°時，股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點及股骨髁間窩頂部向內髁投射點、內收肌結節(jié)下10 mm作為股骨端止點的髕股間的接觸應力大小無明顯差別；③結果顯示，重建內側髕股韌帶時股骨側止點最好選擇在內收肌結節(jié)與內上髁連線的中點，能夠有效恢復膝關節(jié)的穩(wěn)定性，達到延緩關節(jié)及軟骨退變的目的。

關鍵詞：髕股脫位；內側髕股韌帶；網格劃分；三維重建；生物力學；應力； 有限元分析；等長重建

引言?Introduc■on

? 髕骨脫位是一種常見的膝關節(jié)疾病，在所有膝關節(jié)疾病中其發(fā)病率約占?3%[1-2]，髕骨脫位會導致髕股關節(jié)面損傷及退變，若治療不及時，會對患者日常活動產生較大影響，遠期甚至出現(xiàn)髕股關節(jié)炎或者膝關節(jié)骨性關節(jié)炎，極大危害著患者的身心健康。髕骨脫位的年平均發(fā)病率為?42/10?萬，其中青少年女性人群發(fā)病率增加至?108/10?萬?[3]。在髕骨脫位的患者中，內側髕股韌帶是最容易受損傷的軟組織。內側髕股韌帶的作用是維持髕骨的穩(wěn)定，是防止髕骨外側脫位最主要的軟組織?[4]，所以重建內側髕股韌帶來治療髕骨脫位已經成為主要手段?[5]。髕骨脫位發(fā)病原因較多，有內側髕股韌帶損傷、髕骨發(fā)育畸形、股骨滑車發(fā)育不良、多發(fā)韌帶松弛等，但根本原因是髕骨在屈伸活動中所處的異常力學環(huán)境?[6]。對于髕骨脫位的治療最主要的宗旨是恢復髕股關節(jié)的對位關系，防止再次脫位?[7]。治療復發(fā)性髕骨脫位的手術方法較多，但軟組織的重建尤其是內側髕股韌帶重建非常重要?[8]，絕大多數(shù)此類患者可以通過內側髕股韌帶重建的方式來達到治療效果?[9-10]。目前，重建內側髕股韌帶的手術方法眾多，其不同主要在于韌帶移植物的選取、髕骨位點的選取及股骨止點的選取，而重建內側髕股韌帶時，髕骨位點及韌帶選取對手術實施影響較小，股骨止點選取對手術實施影響較大?[11]，錯誤的股骨止點定位會使髕股關節(jié)運動學和接觸力學發(fā)生改變?[12-13]。STEPHEN?等?[14]?記錄在解剖、近端和遠端股骨止點位置重建時的髕股關節(jié)壓力和運動學，發(fā)現(xiàn)止點位置偏向近端或遠端都會出現(xiàn)髕股內側關節(jié)接觸壓力顯著升高和髕骨運動軌跡異常，隨訪發(fā)現(xiàn)患者存在早期退行性關節(jié)改變和疼痛?[15-16]。然而，針對股骨止點的選取也有多種方式、多種定位，且后期對手術方式間的評估較少，定論不一。此次研究擬通過膝關節(jié)三維有限元模型的建立及分析，探討各膝關節(jié)屈曲狀態(tài)下不同內側髕股韌帶股骨重建止點位置對髕股關節(jié)應力的影響，有助于選擇出合理準確的內側髕股韌帶股骨重建止點。

1?材料和方法?Materials and methods

1.1?設計膝關節(jié)三維有限元模型的建立及分析實驗。

1.2?時間及地點實驗于?2019?年?5?月到?2021?年?8?月在新鄉(xiāng)醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學院完成。

1.3?材料影像學數(shù)據來自?6?名健康青年志愿者，年齡23-27?歲，體質量指數(shù)?21-23 kg/m2，既往無膝關節(jié)相關疾病史；對志愿者做膝關節(jié)?CT?薄層掃描?(1 mm)，掃描范圍包括膝關節(jié)上下各?15 cm，獲取影像學資料?(DICOM?格式?)。志愿者對實驗知情同意，并簽署知情同意書。實驗方案已經新鄉(xiāng)醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院倫理委員會討論批準。

? ? ? ?64?排螺旋?CT?掃描機?(Siemens?公司，德國?)；Dell?工作站；醫(yī)學影像控制軟件?Mimics 16.0(Materialise?公司，比利時?)；初步網格劃分及光滑骨面軟件?Geomagic 2014(Raindrop?公司，美國?)；網格劃分及韌帶重建軟件?Soildwork 2016(DassaultSystemes?公司，美國?)；有限元力學軟件?Ansys 19.0(ANSYS?公司，美國?)。

1.4?實驗方法

1.4.1?膝關節(jié)三維模型的建立將?DICOM?格式的?CT?影像資料導入?Mimics?軟件，將膝關節(jié)根據組織不同的?CT?值?(?亨氏?)設定區(qū)別出骨骼及肌肉等；并進行選取無損模型轉換，對骨骼斷端進行封閉填補空洞初步完整模型提取。重復操作生成膝關節(jié)各角度的蒙罩圖，對蒙罩進行編輯，并結合冠狀面及矢狀面的圖像進行標記：股骨內上髁(B)[17]、內收肌結節(jié)(C)[18]、股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點?(A)[19]、股骨髁間窩頂部向內髁投射點?(D)[20]，生成膝關節(jié)各活動部位的初步三維模型?(?未實體化的點云數(shù)據?)；再對膝關節(jié)各活動階段三維模型進行包裹、平滑，生成膝關節(jié)各活動階段的三維有限元模型，以?STL?格式保存并輸出。

1.4.2?骨面光滑處理及實體成模將生成的骨骼蒙罩，見圖?1，

導入?Geomagic?軟件中，去除表面釘狀物及異常體征，初步光滑骨面，初步劃分區(qū)域并對各組織結構進行網格醫(yī)生初步處理，修補殘缺空洞及刪除圖像中的釘狀物，精確曲面，利用軟件重畫輪廓線并進行曲面化，由此轉化為實體；依次按照上述操作把膝關節(jié)各骨拆分實體化，最后以三維通用格式STP?保存輸出，見圖?2(3D?可打印?)。

1.4.3?模具的驗證及韌帶的添加及各骨的裝配生成的?STP格式文件在?Soildworks?軟件中運行，因圖像均來自螺旋?CT，利用螺旋?CT?的容積效應，按照原點進行組裝。通過軟件工具測量并標記出內收肌結節(jié)下?10 mm(E)[21]，在股骨端分別以A、B、C、D、E?為止點的中心，見圖?3，建立半徑為?5 mm的圓作為股骨止點的重建位點，選取出髕骨內上角位置及下緣相當于髕骨內緣的中點，上下緣寬度為?20 mm?的地方作為髕骨側止點?[22]，通過軟件放樣功能生成模擬出重建的內側髕股韌帶。

止點的生成：結合冠狀面及矢狀面的圖像應用?Mimics標記出?A、B、C、D?四個位點、應用?Soildwork?軟件測量標記出?E?點。A?為股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線中點，B?為股骨內上髁，C為內收肌結節(jié)，D為股骨髁間窩頂部向內髁投射點，E?為內收肌結節(jié)下?10 mm。

? ?按照上述方法，依次生成?30°，60°，90°?及?120°?模具，并將各骨實體化成為零件裝配，因腓骨與實驗無關，去除，最終完成股骨、髕骨及脛骨的裝配，生成最終膝關節(jié)模具，

見圖?4。

為驗證膝關節(jié)三維有限元模型的有效性，給正常膝關節(jié)模具的脛骨施加了前向推力載荷。具體如下：將股骨約束固定，脛腓骨在屈膝?0°?位約束固定，其他接觸不約束，并在脛骨中心點施加?134 N?的前向推力載荷，分別計算?6?個導出模具直立位的脛骨前移程度為?4.89，4.86，4.89，5.02，4.83，4.88 mm。在同樣的約束條件下，LA PRADE?等?[23]?的研究結果為?5.0 mm，PENA?等?[24]?的結果顯示脛骨前移?4.75 mm，故此次實體測量結果與他人測量結果相似。綜上所述，此次研究所建立的膝關節(jié)三維有限元模型合理、合格，驗證有效，可為后續(xù)研究。

1.4.4?膝關節(jié)各部件的賦值設置在?Ansys?軟件中，設置骨骼的彈性模量為?14 357 MPa，泊松比?0.34；軟骨的彈性模量為109 MPa，泊松比為?0.19[25]；半月板的彈性模量為?59 MPa，泊松比為?0.49[26]。內側髕股韌帶的彈性模量?472 MPa，泊松比?0.30[27]，見表?1。

? 設計脛骨端底部位置固定，股骨不受約束，并設置髕股關節(jié)面、半月板接觸面為無摩擦；內側及外側髕股韌帶與其骨面接觸為綁定；重建時的預張力一般維持在?2-10 N，張力過小無法起到內側髕股韌帶的原有作用，張力過大則可能會導致重建術后出現(xiàn)僵硬、疼痛、軟骨退化及髕骨骨折等并發(fā)癥。尸體研究顯示髕股韌帶最大抗拉力208 N，因無實體研究，對此說法不一?[28]；為了更加貼近解剖力學，此次實驗綜合設定韌帶拉力?110 N。

? 通過?Ansys?力學分析軟件進行應力求解結果，在應力求解結果選項中?Integra■on Point Results(?積分點結果?)?中看到averaged?選項，其功能是顯示平均后的應力結果；原理是通過在高斯積分點上運算，依據幾何方程?{ε}= [B]s0sssss00s，計算出高斯積分點上的應變?{ε}?，然后基于虎克定律及幾何方程推導的結果?[σ] = [D][B]s0sssss00s?來計算高斯積分點的應力。簡義解釋是通過每個單元格上的應力及應該結果結合每個單元格所占用的比例，進行加權后輸出結果，以代表該髕骨面所具有的應力。以此完成計算，主要觀察不同位置及屈曲狀態(tài)下髕股關節(jié)間壓力的變化。

1.5?主要觀察指標膝關節(jié)屈曲?0°，30°，60°，90°，120°?時不同股骨止點重建后髕股關節(jié)應力。

2?結果?Results

? ?在?Ansys?靜態(tài)技術分析中，無論股骨止點取在股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點?(A)?或股骨內上髁?(B)、內收肌結節(jié)?(C)、股骨髁間窩頂部向內髁投射點?(D)?及內收肌結節(jié)下10 mm(E)?處何種位置，髕股關節(jié)間接觸壓力在屈曲?0°?和?30°時明顯高于屈曲?60°，90°?及?120°；無論采取哪種位點作為股骨端止點，當膝關節(jié)屈曲超過?30°?時，髕股關節(jié)間的接觸應力大小基本無差別，見圖?5，

表?2，這也符合人體解剖學，即當膝關節(jié)屈曲超過?30°?時內側髕股韌帶松弛，主要依賴股骨滑車及內外髁限制髕骨外移，施加的壓力基本無變化，且內側髕股韌帶在屈膝?0°-60°?時幾乎是等距的，而在?60°-120°的彎曲過程中內側髕股韌帶會顯著縮短，因此關節(jié)面的壓力也幾乎消失?[29-30]。

? 在膝關節(jié)屈曲?0°?和?30°?時對比股骨內上髁與內收肌結節(jié)的中點?(A)、股骨內上髁?(B)、內收肌結節(jié)?(C)、股骨髁間窩頂部向內髁投射點?(D)?及內收肌結節(jié)下?10 mm(E)?間的髕股接觸應力，發(fā)現(xiàn)以內收肌結節(jié)?(C)?為止點的髕股接觸壓力最大，以股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點?(A)?為止點的髕股接觸力最?。划斚リP節(jié)屈曲?30°?時，以股骨內上髁與內收肌結節(jié)連線的中點?(A)?及股骨髁間窩頂部向內髁投射點?(D)、內收肌結節(jié)下?10 mm(E)?作為股骨端止點的髕股間接觸應力大小無明顯差別，見圖?6。

3?討論?Discussion

? 膝關節(jié)內側穩(wěn)定結構主要包括內側髕股韌帶、髕半月板韌帶、髕脛韌帶。尸體解剖顯示內側髕股韌帶呈扇形，是有區(qū)別于內側支持帶的一個獨立結構。關于膝關節(jié)內側的支持結構可分為?3?層：第?1?層為深筋膜；第?2?層為內側副韌帶的淺層和其前方的結構組織；第?3?層為內側副韌帶深層和膝關節(jié)囊。

? 內側髕股韌帶位于第?2?層內，股內側肌深面，長度為45-64 mm(?平均?53 mm)。內側髕股韌帶是最強大的限制髕骨外移的韌帶性結構?[31]，提供了平均?50%-60%?的限制髕骨外移力量?[32-33]，同樣產生了適當?shù)捏x股應力。正常情況下，軟骨需在適當?shù)膽Υ碳は潞铣傻鞍锥嗵?、膠原等成分來營養(yǎng)、潤滑關節(jié)。趙定磷?[34]?在兔髕韌帶緊縮術后發(fā)現(xiàn)，因髕股關節(jié)壓力變大，髕軟骨面明顯變性。MORSCHER[35]?曾報道，髕骨軟骨內側面應力改變也可引起軟骨營養(yǎng)障礙。由此發(fā)現(xiàn)髕股間接觸壓力過大，增加髕股之間的摩擦，可導致關節(jié)病損?[36]，最終使髕骨的運動軌跡改變，最終成為骨性關節(jié)炎。壓力過小，引起關節(jié)退變，也將改變髕骨運動軌跡造成不必要的關節(jié)面接觸摩擦，所以重建后能否達到正常的壓力至關重要。

? 臨床上內側髕股韌帶重建的方式有多種，解剖位點始終是最理想、最佳點，但是尸體解剖發(fā)現(xiàn)內側髕股韌帶股骨位點范圍較局限，且多存在變異，此處纖維薄而窄，向前逐漸增寬增厚，且股骨內側髁附著結構較多，對內側髕股韌帶起點的精確定位、分離較困難。這些都導致難以定位準確的解剖位點。手術經驗結合解剖提出，無論何種手術方式都應符合“等長原則”，等長原則指內側髕股韌帶在膝關節(jié)屈曲從?0°-90°?的過程中從髕骨下部到股骨上部的這一部分是幾乎等長的，其平均長度變化僅有?1.1 mm[37]。通過等長重建內側髕股韌帶可以有效恢復髕股關節(jié)的正常關系?[38-39]，而完成等長重建關鍵在于股骨端止點的選擇。對于股骨止點，有文獻經解剖?30?個膝關節(jié)指出內側髕股韌帶的股骨止點有以下3?種類型?[40]：①附著于自膝內側副韌帶淺層的近端部分至內收肌結節(jié)近側，范圍覆蓋整個股骨內上髁和收肌結節(jié)，由此作者提出重建位點?A?點?(?股骨內上髁與內收肌結節(jié)中點?)；②附著在內收肌結節(jié)，故作者選擇重建位點?C?點?(?內收肌結節(jié)?)?研究位點；③內側髕股韌帶股骨側起點分為?2?束，近端束起自內收肌結節(jié)下方發(fā)出，由此選擇?E?點?(?內收肌結節(jié)下10 mm)?為止點；遠端束相對較細起自內側副韌帶的淺層；兩束跨過股骨內上髁在前方匯合，由此，此次研究也納入?B?點(?股骨內上髁?)?為研究位點。而?D?點?(?股骨髁間窩頂部向內髁投射點?)?的選擇是醫(yī)師手術時常采用的一種定位方式。

? ?采用有限元分析的優(yōu)勢在于數(shù)字骨科已成為了骨科研究的新區(qū)域，其中有限元分析已經被認為是一種有效的研究方法，因其具有許多優(yōu)勢及特點，可以克服一些傳統(tǒng)尸體研究的弊端，如實驗費用高、尸體差異大和不易獲得、實驗周期長以及無法動態(tài)分析幾何結構的關節(jié)力學特性等。在研究膝關節(jié)生物力學時，三維有限元模型可以較為準確地模擬膝關節(jié)應力的演變過程。通過構建膝關節(jié)有限元分析膝關節(jié)不同屈曲狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)，屈曲?0°?和?30°?時，重建內側髕股韌帶的股骨止點任何位點較其他角度產生的髕股關節(jié)應力較大，這也與解剖相符。通過分析?0°?和?30°?時?5?個位點所造成不同的髕股應力，作者建議將股骨側重建點選擇在內收肌結節(jié)與內上髁連線的中點，該點能夠有效恢復膝關節(jié)的穩(wěn)定性，達到延緩關節(jié)及軟骨退變的目的。如果存在解剖變異，也可通過術中透視來選擇在股骨髁間窩頂部向內髁投射點或選擇內收肌結節(jié)下?10 mm；在此兩點髕股間接觸應力適中，也符合等長原則，但髕股間應力稍高。不建議將重建點選擇在股骨內上髁、內收肌結節(jié)，這兩點產生了較明顯的髕股壓力，后期造成并發(fā)癥的可能性較大。

? ?研究也存在不足及限制：①模型的建立并未加入膝關節(jié)周圍肌肉及髕韌帶等軟組織，相應的軟組織也會對結果產生影響，每個人的肌肉力量及韌帶鍛煉承受程度不同，故存在誤差；②由于數(shù)字技術限制及軟件設置要求，研究只固定于5?個不同屈曲角度的膝關節(jié)進行了生物力學研究，目前操作技術還未能模擬出膝關節(jié)連續(xù)角度的動態(tài)演示；③軟件的局限性，模具的精度受網格劃分方法尤其網格尺度大小的影響，原則上網格劃分的越是精細、劃分的尺寸越小，計算的結果越準確；但是劃分過于精細則整個運算過程及建模要求對數(shù)字配置要求較高，計算機的運行效率對其也有影響，軟件為適應配置問題也會折中處理網格大小，人為的設置會增加準確度，但三維劃分導致應力集中的現(xiàn)象會頻發(fā)。

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