姬林松，李彥林，黃贊，賈笛，余洋，高寰宇 （昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，云南 昆明 650032

摘要：目的?利用核磁共振成像（MRI）二維圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確構(gòu)建出膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，采用有限元方法 分析內(nèi)側(cè)半月板全部切除后股骨軟骨缺損面積大小對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力變化的影響。

方法?利用膝關(guān)節(jié) MRI 圖像建 立包括股骨、脛骨、內(nèi)外側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、髕骨及髕韌帶的仿真膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模型，在內(nèi) 側(cè)半月板全部切除后的仿真數(shù)字化模型上于股骨內(nèi)側(cè)髁部最容易損傷部位虛擬 0.49、0.80、1.0、1.70、2.56 及 3.24 cm2 大小的缺損模型，在股骨上施加 1 150 N 垂直壓應(yīng)力，類似于在步態(tài)周期中的伸直狀態(tài)，主要分析膝關(guān) 節(jié)軟骨及半月板最大壓應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力。

結(jié)果?內(nèi)側(cè)半月板全部切除后股骨內(nèi)側(cè)髁部軟骨缺損對(duì)內(nèi)外側(cè) 間室接觸應(yīng)力均有影響，但以內(nèi)側(cè)間室影響較為明顯。

結(jié)論?利用仿真膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模型可以有效模擬正常膝 關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化及內(nèi)側(cè)半月板全部切除后缺損面積大小對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力變化的影響。關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)；軟骨缺損面積；生物力學(xué)；有限元分析；半月板切除

? ? ? 半月板在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的 作用。它除了傳遞載荷及分散負(fù)荷、維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定 外，還有著吸收震蕩、增加關(guān)節(jié)接觸面、潤(rùn)滑關(guān)節(jié)等 功能[1]。研究表明，半月板全部切除數(shù)年后會(huì)導(dǎo)致關(guān) 節(jié)軟骨持續(xù)損傷[2]。因?yàn)榘朐掳迩谐笙リP(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn) 較高的應(yīng)力峰值、較大的應(yīng)力集中及減震能力的下 降等，上述現(xiàn)象明顯改變膝部負(fù)重模式[3]。同時(shí)會(huì)改 變膝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布，減少膝關(guān)節(jié)接觸面積，而且膝關(guān) 節(jié)接觸應(yīng)力及剪切應(yīng)力幅度與梯度均明顯增加[4]。既 往有研究半月板切除后膝關(guān)節(jié)應(yīng)力改變，亦有利用 有限元方法分析膝關(guān)節(jié)股骨髁軟骨缺損面積對(duì)膝關(guān) 節(jié)應(yīng)力變化的影響。但利用半月板切除后的膝關(guān)節(jié) 數(shù)字化模型分析軟骨缺損面積對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力變化 的影響的研究較少。Pena 等[5]報(bào)道的模型并未包括 內(nèi)外側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、髕骨 及髕韌帶等主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)用垂直應(yīng)力時(shí)由于沒(méi)有韌 帶限制股骨可能相對(duì)脛骨發(fā)生前移，模型過(guò)于簡(jiǎn)單 而且未考慮膝關(guān)節(jié)軟骨厚度。本研究利用包括股 骨、脛骨、內(nèi)外側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌 帶、髕骨及髕韌帶等重要結(jié)構(gòu)的仿真膝關(guān)節(jié)數(shù)字化 模型，并利用該模型分析內(nèi)側(cè)半月板全部切除后位 于股骨內(nèi)側(cè)髁不同面積軟骨缺損對(duì)膝關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力 和軟骨缺損邊緣應(yīng)力變化的影響，有利于進(jìn)一步了 解軟骨缺損與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系。

1 資料與方法?

1.1 研究對(duì)象及主要儀器?

? ? ? 隨機(jī)選取 1 例健康成年男性為研究對(duì)象。年齡 27 歲，身高 160 cm，體重 52 kg，無(wú)膝關(guān)節(jié)外傷史及 風(fēng)濕關(guān)節(jié)病史，行 X 線及 MRI 檢查排除膝關(guān)節(jié)骨 折、畸形、退變、半月板損傷、滑膜炎等病理變化。GE1.5T 超導(dǎo)型磁共振（美國(guó) General Electric 公司）， 戴爾工作站 Precision T7500，CPU：Intel（至強(qiáng)）E5645 2.40 GHz 六核（X2），內(nèi)存：24 GB DDR3 1 333 MHz， 硬盤(pán)：1 TB 7 200 轉(zhuǎn)，SATA，顯卡：NVIDIA Quadro 4 000 2 GB，操作系統(tǒng)：Windows 7 專業(yè)版（64 bit）。交互式 醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng) mimics 16.0 軟件（Materialise's interactive medical image control system，比利時(shí) Materialise 公司，由西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院提供使 用），Geomagic Studio 12 逆向工程軟件 （美國(guó) Geomagic 公司，由上海數(shù)造機(jī)電有限公司提供使用）， Imgeware 13.0 逆向工程軟件 （美國(guó) EDS 公司），Hypermesh 11.0 計(jì)算機(jī)輔助工程軟件 （美國(guó) Altair 公 司），Anasys 14.5 有限元分析軟件 （美國(guó) Anasys 公 司），均由西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院提供使用。

1.2 研究方法?

1.2.1 二維圖像采集?采用 GE 1.5T 超導(dǎo)型磁共振 機(jī) MRI 掃描，獲取二維圖像，掃描體位：膝關(guān)節(jié)自然 伸直并外旋 10～15°角度固定。掃描參數(shù)設(shè)定為：矢狀位 3D 質(zhì)子密度加權(quán)成像序列，TR：11 000 ms， TE：25 ms；層厚 1.0 mm；層間距 0.2 mm；回波鏈 14；激勵(lì) 2 次；矩陣：192/320；FOV：18。?

1.2.2 建立三維模型?在計(jì)算機(jī)工作站上，將膝關(guān) 節(jié) MRI 掃描圖像以 DICOM 格式導(dǎo)入 Mimics 16.0， 定義上、下、左、右、前、后方向后，Mimics 16.0 中顯 示出矢狀位、冠狀位、額狀位的二維圖像。

? ??在“Masks ”中建立一種新的綠色（Green），選擇 “Segmentation Menu” 中 的 “Thresholding”， 通 過(guò) “Thresholding”調(diào)整上下閾值至藍(lán)色“Masks”完全 覆蓋所有層面的骨組織。選擇“Edit Masks”菜單中 的“Erase”擦除股骨周圍多余的綠色，定義出骨組織 邊緣。在 Green Masks 中選擇“Region Growing”，點(diǎn) 擊不同的骨組織，“New Masks”，完成不同骨的劃 分。選 擇“Segmentation Menu”中 的“Calculate 3D from Masks ”，采用“High Quality ”計(jì)算方法，運(yùn)行 后重建出膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型。

1.2.3 建立三維數(shù)字化模型及定義彈性模量?將三 維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Geomagic Studio 12 逆向工程軟 件，通過(guò)定位點(diǎn)配準(zhǔn)、曲面優(yōu)化等過(guò)程，運(yùn)算出一個(gè) 膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型。

? ? ? ?在 Hypermesh 11.0 軟件中對(duì)膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模 型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后最終構(gòu)建成包含股 骨、脛骨、腓骨、內(nèi)外側(cè)副韌帶等完整的三維有限元 模型（見(jiàn)圖 1）。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，按表 1 定義彈性模量[6-7]。

1.2.4 缺損模型建立?在膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模型將內(nèi)側(cè) 半月板全部切除，然后于股骨內(nèi)側(cè)髁最常見(jiàn)損傷部 位制造 0.49、0.80、1.0、1.70、2.56 及 3.24 cm2 大小的 缺損模型，深度足夠達(dá)軟骨下骨[8]。在股骨上施加 1 150 N 垂直壓應(yīng)力，類似于步態(tài)周期中的伸直狀態(tài)，以內(nèi)側(cè)半月板切除后軟骨缺損組為實(shí)驗(yàn)組，膝 關(guān)節(jié)各部位完整的正常組為對(duì)照組分析膝關(guān)節(jié)軟 骨及半月板最大壓應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力。3 例測(cè)試 者分別對(duì)已建立的三維有限元模型進(jìn)行分析，分別得 到關(guān)節(jié)軟骨和半月板各部位應(yīng)力分布圖，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué) 計(jì)算得到 3 次分析結(jié)果的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用 SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量資 料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，統(tǒng)計(jì)分析用兩獨(dú)立 樣本的 t 檢驗(yàn)，P <0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果?

2.1 正常軟骨有限元分析結(jié)果??

? ? ? 由應(yīng)力分布圖可見(jiàn)（見(jiàn)圖 2），對(duì)于正常膝關(guān)節(jié)， 股骨內(nèi)側(cè)髁及外側(cè)髁的前部軟骨有較高的應(yīng)力，最大壓應(yīng)力分別為（2.9±0.12）和（4.0±0.17）MPa，雙 髁后部軟骨最大壓應(yīng)力分別為（0.9±0.10）和（0.7± 0.09）MPa，可見(jiàn)股骨內(nèi)側(cè)髁及外側(cè)髁的前部為高負(fù) 重區(qū)，而雙髁后部為低負(fù)重區(qū)。與股骨髁部類似，脛 骨平臺(tái)也存在高負(fù)重區(qū)與低負(fù)重區(qū)，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái) 及外側(cè)平臺(tái)軟骨最大壓應(yīng)力分別為 （3.8±0.11）和 （1.9±0.25）MPa。而對(duì)于半月板，大部分應(yīng)力集中于 內(nèi)側(cè)半月板后角及外側(cè)半月板前角，最大壓應(yīng)力分 別為（3.1±0.12）和（5.1±0.26）MPa。故股骨髁及脛 骨平臺(tái)部軟骨、半月板均存在低負(fù)重區(qū)及高負(fù)重區(qū)。

2.2 軟骨缺損模型有限元分析結(jié)果?

? ? ? 對(duì)正常膝關(guān)節(jié)軟骨及半月板應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分析采用兩獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)。軟骨缺損 組與正常組比較，股骨內(nèi)側(cè)髁及內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié) 軟骨最大壓應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意 義（P <0.05）。軟骨缺損組與正常組比較股骨外側(cè)髁 及外側(cè)脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié)軟骨、外側(cè)半月板最大壓應(yīng)力 及最大剪切應(yīng)力均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P <0.05）。說(shuō) 明內(nèi)側(cè)半月板全部切除后股骨內(nèi)側(cè)髁部軟骨缺損 對(duì)內(nèi)外側(cè)間室接觸應(yīng)力均有影響，但以內(nèi)側(cè)間室影 響較為明顯。

? ? ?各個(gè)軟骨缺損邊緣的應(yīng)力均明顯出現(xiàn)應(yīng)力集 中，缺損面積越大應(yīng)力升高越明顯（見(jiàn)圖 3~5 和表 2~5）。內(nèi)側(cè)半月板全部切除后即使是缺損面積較小的 0.49 cm2 與 0.80 cm2 的應(yīng)力升高也極為明顯（見(jiàn)表 2~5 和圖 4~5），缺損邊緣最大壓應(yīng)力分別為（4.8± 0.23）MPa 和（5.85±0.13）MPa，相對(duì)于正常軟骨（2.9± 0.12）MPa 分別增高 65.5%和 101.7%。0.49 cm2 與 0.80 cm2 缺損面積的剪切應(yīng)力分別為（2.8±0.13）MPa 和（3.4±0.05）MPa，相對(duì)于正常軟骨（1.7±0.22）MPa 分別增高 64.7%和 100%。?

3 討論?

本研究重建的數(shù)字化模型包括股骨、脛骨、內(nèi)外 側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、髕骨及髕 韌帶等膝關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)。建立高保真度的膝關(guān)節(jié)數(shù) 字化模型，從而確保獲得的接觸應(yīng)力更接近實(shí)際情 況。本室驗(yàn)建立的模型軟骨缺損處位于內(nèi)側(cè)髁，主要 考慮內(nèi)側(cè)髁軟骨是膝關(guān)節(jié)最容易損傷部位 [9]。Lee 等[10]發(fā)現(xiàn)，半月板成型后影響關(guān)節(jié)軟骨退變主要為 最大接觸應(yīng)力而非平均接觸應(yīng)力，因此，本實(shí)驗(yàn)僅計(jì) 算最大壓應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力。

? ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)側(cè)半月板全部切除后，由于股 骨髁中間區(qū)域軟骨因直接與脛骨平臺(tái)軟骨相接觸， 即使是較小的缺損面積，缺損邊緣及內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái) 最大壓應(yīng)力增高也非常明顯，缺損面積越大，應(yīng)力增 高也更大。而且未發(fā)現(xiàn)與內(nèi)側(cè)半月板完整時(shí)虛擬股 骨內(nèi)側(cè)髁部不同缺損面積出現(xiàn)的分界線效應(yīng)[5]。既 往研究顯示，半月板撕裂或者部分切除后對(duì)外側(cè)間 室應(yīng)力影響不大[11]，但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)側(cè)半月板 全部切除后外側(cè)間室應(yīng)力增高明顯，說(shuō)明內(nèi)側(cè)半月 板全部切除后股骨髁部軟骨缺損對(duì)內(nèi)外側(cè)間室應(yīng) 力分布均有影響，缺損面積越大影響越大，尤其對(duì)內(nèi) 側(cè)間室影響更大。外側(cè)間室在內(nèi)側(cè)半月板全部切除 后軟骨及外側(cè)半月板最大應(yīng)力均明顯增加，可能是 內(nèi)側(cè)半月板全部切除后膝關(guān)節(jié)力線發(fā)生改變，內(nèi)側(cè) 關(guān)節(jié)間隙變窄，膝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布改變導(dǎo)致[12-13]。

? ? ? 既往研究表明，較大面積的軟骨缺損相對(duì)小的 軟骨缺損常常有較差的臨床結(jié)果，可能預(yù)示著軟骨 的退變與軟骨缺損面積有較大的關(guān)系[14]。對(duì)于較大的 軟骨缺損，負(fù)重區(qū)域應(yīng)力會(huì)重新再分布，這將導(dǎo)致正 常軟骨因負(fù)重增加而出現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)流體壓降低，從而 出現(xiàn)軟骨營(yíng)養(yǎng)不良及關(guān)節(jié)摩擦力增加，從而出現(xiàn)正 常軟骨退變[6，15]。本實(shí)驗(yàn)亦證明該觀點(diǎn)，較大的軟骨 缺損邊緣應(yīng)力明顯增加，由此可能導(dǎo)致部分正常軟 骨退變，而對(duì)于缺損面積較小的軟骨缺損，應(yīng)力增加 不明顯。與 Pena 及 Dong 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似[5，16]。

? ? ? 當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)仍存在一些局限性。首先，實(shí)驗(yàn)分析 膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)膝關(guān)節(jié)各部位的應(yīng)力變化，而沒(méi)有 行動(dòng)態(tài)模擬分析；其次，半月板及軟骨在實(shí)驗(yàn)中被定 義為單相線彈性和同一性的材料，而學(xué)者多認(rèn)為他 們應(yīng)該在建模時(shí)考慮時(shí)變性的多孔彈性材料。另外 軟骨缺損模型為不同面積的四方形，可能與臨床的 實(shí)際情況有一定差異。盡管存在以上局限性，實(shí)驗(yàn)仍 有助于了解不同缺損面積對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力變化的影 響，為臨床工作提供理論依據(jù)。

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