HJS  >> Vol. 7 No. 4 (October 2018)

    不同胫骨后倾角下两种方法重建ACL有限元分析
    Finite Element Analysis of Two Methods of ACL Reconstruction under Different Posterior Tibial Slope

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作者:  

齐 勇,孙鸿涛,黎飞猛:广东省第二人民医院骨科,广东 广州;
江辉耀,麦卓敏:广东省清远市阳山县人民医院骨科,广东 阳山;
樊粤光:广州中医药大学第一附属医院骨科,广东 广州

关键词:
胫骨后倾角前交叉韧带过顶位单束重建解剖单束重建有限元分析Posterior Tibial Slope Anterior Cruciate Ligament Over-the-Top Single Bundle Reconstruction Anatomical Single Bundle Reconstruction Finite Element Analysis

摘要:

目的:探索不同PTS对两种不同方法重建ACL及膝关节稳定性的生物力学影响。方法:选择一名健康志愿者行左侧膝关节CT及MRI扫描,测量胫骨平台后倾角为7˚,将数据导入计算机软件建立伸直位膝关节三维模型;建立2˚和12˚两种不同后倾角的膝关节伸直位三维模型,以及不同后倾角下不同屈伸状态模型。在不同屈伸角度的三种不同后倾角模型中,去除前叉韧带,按照ACL过顶位重建和解剖单束重建方法模拟重建,共重建出不同后倾角、不同屈膝状态下的模型18个,无ACL模型9个。将不同三维有限元模型导入ANSYS有限元分析软件中,给予加载负荷进行计算分析,在各模型中分析ACL所承受应力及胫骨-股骨之间的相对位移。结果:18个ACL重建模型和9个ACL缺失模型经有限元分析分别获得ACL所承受应力及胫骨-股骨相对位移,详细结果见正文。将各组分析结果进行对比,随着后倾角的增加,胫骨-股骨之间的位移逐渐增大,ACL承受的张力也增加,过顶位单束重建模型组的胫骨-股骨相对位移数据小于解剖单束重建,重建的ACL承受张力相对也低。结论:两种重建方法均能恢复膝关节的稳定性,无论解剖重建还是过顶位重建,随着PTS的增大,ACL承受的应力及胫骨-股骨之间的位移均会随之增大。在相同PTS下,解剖单束重建后出现旋转中心的下、内移,ACL力距变小,导致在相同负荷下ACL承受的张力、胫骨-股骨之间的位移均大于过顶位重建。

Objective: To explore the biomechanical characteristics of reconstructed ACL and knee stability after reconstruction with different methods (over-the-top single bundle reconstruction (OSBR) and anatomical single bundle reconstruction (ASBR)). Methods: The left knee joint of a healthy volunteer was scanned by CT and MRI. The posterior tibial slope (PTS) is 7˚ degree measured on MRI scans. The data were imported into computer software to get the 3D models of the knee. The 3D models with 2˚ PTS and 12˚ PTS were established in Solidworks software. After establishment of three groups of knee extension model, 30 and 90 flexion models were made through Solidworks software. The ACLs were removed in three different PTS angle models. Then new ACLs were re-constructed respectively according to the technical requirements of OSBR and ASBR in Solidworks software (the tibial site was consistent and the femoral site was different in OSB group and ASB group). 18 models of different angles and of different reconstruction methods in different flexion were established, and 9 ACL deficient models were also established. Each 3D finite element knee models was imported into ANSYS software, and then given the load and analyzed by computer. The relative displacement between tibia and femur and the stress of ACL were recorded. Results: The stress and the relative displacement between tibia and femur were obtained by finite element analysis in 18 ACL reconstructed models and 9 ACL deficient models respectively. The detailed results were described in the text. The results were analyzed with different models. With the in-crease of tibia-femur displacement, the ACL tension increased compared with the increase of PTS. The results of the tibia-femur relative displacement and ACL tension in OSBR models were rela-tively low when compared with that in OSBR models. Conclusion: Both OSBR and ASBR can restore the stability of the knee joint. Regardless of anatomical single bundle reconstruction or over-the-top single bundle reconstruction, the stress of ACL and the displacement between tibia and femur will increase with the increase of the PTS. In the models with the same PTS, the rotation center moved inside near the condyle fossa after ASBR compared with that after OSBR, which resulted in short ACL force distance, so the tension of the ACL and the displacement between the tibia and the femur increase under the same load. This result is different from the previous studies and it is a question worth considering in the study of ACL reconstruction.

1. 引言

各种外伤导致ACL完全断裂后,膝关节将出现不稳定,继发关节软骨以及半月板承受生物力学负荷的改变,后期容易并发关节退变。因此,ACL重建成为治疗ACL损伤后膝关节不稳的首选。目前,临床上常用的ACL重建的手术方式有过顶位重建(over-the-top single-bundle reconstruction, OSBR)、解剖单束重建(anatomical single-bundle reconstruction, ASBR)以及解剖双束重建。尽管在尸体标本上的生物力学研究提示解剖重建可能在生物力学方面具有一定的优势,但临床实际研究结果并不统一 [1] [2] [3] 。由于尸体标本数量有限、且标本上各项解剖参数变化较多、股骨和胫骨端固定模式和力距的差异等等原因,因而,无法对比同一个体不同重建方法之间切实的力学差异,其研究结果可能存在偏差。

计算机三维有限元分析方法克服了尸体标本不足、解剖参数差异、固定力臂和方式等差异对于力学研究结果的影响,可以实现同一个体不同重建方法之间的生物力学对比 [4] [5] 。通过前期的研究,我们发现,胫骨平台后倾角会对ACL的受力产生影响,较大后倾角可增加ACL的负荷并增加膝关节旋转不稳定性。那么,采用不同重建方法重建ACL后,在承受负荷时对重建的ACL生物力学及膝关节稳定性将产生怎样的影响呢?PTS的不同是否会影响临床医生对于ACL重建术式的选择呢?本研究将针对上述疑问,在不同的PTS模型中,分别进行不同术式的ACL重建,然后对重建的ACL进行生物力学及膝关节稳定性进行三维有限元分析,探讨不同情况下ACL重建的理想方式。由于研究方法的局限性,本部分仅对解剖位单束重建(ASB)与过顶位单束重建(OSB)两种重建方法进行对比研究。

2. 材料与方法

2.1. 不同胫骨平台后倾角角度模型和屈膝角度模型建立

选择一名健康志愿者行左侧膝关节CT及MRI扫描,测量胫骨平台后倾角为7˚。将扫描数据导入Mimics软件,获得骨、软骨、半月板、韧带等结构的三维模型,然后利用Geomagic对图像进行修饰,再导入Solidworks软件中建立伸直位膝关节三维模型。利用Solidworks软件建立2˚和12˚两种不同后倾角的膝关节三维模型。在建立三组膝关节伸直位模型后,每组模型再分别建立屈膝30˚和90˚的模型,共建立模型9组,有限元模型的建立参照本研究小组既往模型建立的方法 [6] 。

2.2. OSBR和ASBR重建ACL的膝关节模型

在2.1建立的9组模型中,经Solidworks 2012软件处理,去除前叉韧带,然后分别在各模型组按照ACL的性质、弹性模量等虚拟一条重建的前叉韧带,直径为8 mm,其胫骨止点选择在原ACL足迹的中央,股骨侧止点则在传统过顶位重建组选择在临床常用的过顶位重建点(相当于ACL股骨侧足迹的上半部分),解剖重建组选择在股骨侧足迹的中央。这样就建立了本部分研究所需要的共27个模型(见表1),部分模型见图1~4。

2.3. 材料属性及边界条件

本研究中,材料属性设置和边界条件设置参照本研究小组既往膝关节计算机三维有限元分析的设置 [6] 。

2.4. 负荷加载 负荷的加载参照本研究小组前期研究的负荷加载和分析方法 [6]

1) 屈膝0˚模型上,胫骨在X、Y、Z轴上均给予固定,在股骨髁上,内侧副韧带附着点水平给予加载1150N的垂直应力。

2) 屈膝30˚模型上,胫骨在X、Y、Z轴上均给予固定,在股骨髁上、内侧副韧带附着点水平给予加载750N的垂直地面应力及10 N∙m的外旋应力力距。

3) 屈膝90˚模型上,股骨测在X、Y、Z轴上均给予固定,胫骨远端断面上采用点固定的方式(允许胫骨在外力下以该点为旋转点进行旋转),在胫骨关节面下方给予前向134 N的前向应力。

Table 1. Models with different knee flexion angle and with different PTS

表1. 膝关节不同屈伸状态和后倾角的模型分组

Figure 1. 3D model of ACL OSB reconstruction with 0 degree (extended position) knee flexion

图1. 屈膝0˚ (伸直位)ACL过顶位重建三维模型

Figure 2. 3D model of ACL ASB reconstruction with 0 degree (extended position) knee flexion

图2. 屈膝0˚ (伸直位)ACL解剖位重建模型

Figure 3. 3D model of ACL OSB reconstruction with 30 degree knee flexion

图3. 屈膝30˚ ACL过顶位重建三维模型

Figure 4. 3D model of ACL ASB reconstruction with 30 degree knee flexion

图4. 屈膝30˚ ACL解剖位重建模型

不同负荷条件下,观察股骨与胫骨的相对位移及ACL所承受的张力。

3. 结果

1) 屈膝0˚三组模型中,施加复核后经过计算机有限元分析,胫骨-股骨相对位移和ACL承受的最大张力结果见表2

2) 屈膝30˚三组模型中,施加复核后经过计算机有限元分析,胫骨-股骨相对位移及ACL承受的最大张力结果见表3

3) 屈膝90˚三组模型中,施加复核后经过计算机有限元分析,胫骨-股骨相对位移及ACL承受的最大张力结果见表4

Table 2. ACL stress and tibial femoral displacement under 1150 N vertical stress under 0 degree (extended position) knee flexion

表2. 屈膝0˚ (伸直位)状态下1150 N垂直应力下ACL受力及胫骨-股骨位移情况

Table 3. ACL stress and tibial-femoral Displacement under 1150 N Vertical Stress and 10 N∙m External Torsion under 30 Degree Knee Bending

表3. 屈膝30˚状态下1150 N垂直应力加10 N∙m外旋扭力下ACL受力及胫骨-股骨位移情况

Table 4. ACL stress and tibial femur displacement on tibial side 134 N forward stress under 90 degree Knee Bending

表4. 屈膝90˚状态下胫骨侧134 N前向应力下ACL受力及胫骨-股骨位移情况

4) 不管PTS角度大小,在伸膝模型和屈膝30˚模型中,过顶位重建和解剖重建相比,两组中胫骨-股骨相对移位主要是旋转移位,移位主要发生在股骨内髁,两组相比而言,旋转中心发生了变化,解剖重建组旋转中心更加向髁间窝靠近(见图5~8)。

4. 讨论

4.1. ACL重建中的过顶位重建(OSBR)与解剖重建(ASBR)

目前,关节镜下ACL重建术已经成为治疗ACL损伤的标准手术,但对于ACL重建手术的细节仍然存在不少争议,比如:股骨侧附着点的定位、等长点究竟位于何处、采用过顶位重建还是解剖重建,解剖单束重建还是解剖双束重建等等。

早期的理论认为:膝关节ACL重建必须保证重建的ACL在膝关节屈伸活动中具有等长性,以保持膝关节在屈伸活动中能够始终保持紧张 [7] [8] 。研究认为,相对于一个固定胫骨隧道,该等长点在股骨侧存在于股骨髁间窝外侧壁后缘过顶点前方6~7 mm [9] [10] 。基于此理论,早期ACL重建采用的多是经胫骨隧道过顶位重建的方法。近些年来,人们发现过顶位重建后膝关节前向稳定性能够得到良好的恢复,但重建的ACL韧带过于垂直,旋转稳定性恢复欠佳,仍然不能很好的预防骨性关节炎的发生 [11] 。

实际上,由于ACL解剖的复杂性和膝关节运动的复杂性,绝对等长点并不存在,因此有学者提出了生理相对等长重建的概念 [12] 。试验研究发:重建的韧带偏离中心在3 mm以内时,膝关节在0˚到150˚范围内活动时韧带长度变化不明显,即重建后的移植物长度在膝关节屈伸过程中保持最低变化(不超过2~3 mm),

Figure 5. The rotational center of femur in ACL OSBR model of 0˚ knee flexion with PTS 7˚

图5. 屈膝0˚,PTS为7˚行过顶位重建模型中,股骨旋转中心

Figure 6. The rotational center of femur in ACL of 0˚ knee flexion with PTS 7˚

图6. 屈膝0˚,PTS为7˚行解剖位重建模型组的股骨旋转中心

Figure 7. The rotational center of femur in ACL OSBR model of 30˚ knee flexion with PTS 7˚

图7. 屈膝30˚、PTS为12˚行过顶位重建模型中股骨的旋转中心

Figure 8. The rotational center of femur in ACL of 30˚ knee flexion with PTS 7˚

图8. 屈膝30˚、PTS为12˚行解剖位重建模型组的股骨旋转中心

张力保持最低变化。据此,主张将股骨侧隧道的位点放在解剖足迹中心的行解剖重建 [12] 。基于尸体标本的生物力学试验证实解剖重建,对于恢复膝关节旋转稳定性具有一定的优势。Zaffagnini的研究 证实了这一点 [1] 。

但研究结果并非都是支持解剖剖重建具有优势。Asai等 [2] 研究者使用三轴加速计在尸体进行研究,重点对比了多顶位重建和解剖重建在膝关节旋转稳定性上的差异。结果发现两种方法重建后膝关节的旋转稳定性均能得到明显改善,过顶位重建和解剖单束重建组在在恢复膝关节稳定性方面是相当的。Buda等通过临床研究ACL部分损伤患者的ACL重建效果是发现,非解剖位重建手术简单,操作容易,效果优于解剖重建 [13] 。

4.2. PTS可能对重建的方式并不产生直接的影响,对过顶位重建和解剖重建有必要进一步 再认识

本研究发现,不管在PTS大或者小,同样大小PTS情况下,过顶位重建的后计算机虚拟计算力学效果均优于解剖单束重建。基于本研究结果,研究者认为,PTS大小并不影响研究ACL重建术式的选择。从研究结果中可以发现,无论采用哪种方式重建,重建的ACL承受的最大张力随着PTS的增加而增大,反映膝关节稳定性的指标——胫骨-股骨之间的位移也随着PTS的增加而增加。

4.3. 本研究发现OSBR组ACL承受应力及膝关节稳定性优于ASBR组

虽然目前已有的研究报道大部分都倾向于认为解剖重建优于非解剖的过顶位重建 [1] [11] ,但我们的研究结果却并不支该观点。在本研究中我们发现,在各模型组中,通过有限元分析,OSBR组ACL承受的应力小于ASBR组,同时膝关节的稳定性也占有优势,并且这种优势与PTS无关。这一点与以往尸体研究和临床观察不同并不一致 [1] [2] [3] 。

通过对比各个对照模型中的移位分布图后发现,在膝关节承受应力,胫骨-股骨之间产生位移主要是旋转移位。与OSBR相比,在ASBR组模型中,膝关节旋转中心明显向髁间窝方向漂移(见图5~8),更加靠近髁间窝处,导致解剖重建后ACL张力的力臂减小,因而对抗剪切力时需要ACL张力增加,股骨-胫骨之间产生的相对移位也加大。而在以往尸体标本上进行的生物力学研究中,由于股骨近端和胫骨远端是采用刚性固定,导致股骨端不能才生旋转或者受力时产生自发旋转的旋转轴不容易发生移动。这可能是尸体标本研究和计算机虚拟技术模拟结果出现差异的原因。在实际运动中,由于膝关节上方肢体和躯体并不是固定的,因此,我们认为计算机模型的有限元分析可能与身体实际运动机制更加一致。这一研究结果提示,或许将重建的ACL止点放在过顶位更值得进一步研究。

当然本处所说的过顶位重建模型与临床中实际应用的经胫骨隧道过顶位重建是不完全相同的。临床中使用的过顶位重建是一种经胫骨隧道钻取股骨隧道,将股骨隧道定位在过顶位的方法。而本研究中的过顶位重建,只是将股骨侧止点定位于过顶位,而不涉及韧带穿经骨隧道的问题。尽管计算机三维有限元分析中结果显示过顶位重建优于解剖重建,但是由于重建韧带的临床效果会受到多种因素的影响,本研究的有限元分析结果并不能完全代表临床实际手术效果。

5. 总结

本部分研究结果给我们以下提示:① 在本研究系列模型中,无论胫骨平台后倾角大小如何,选择OSB重建后的膝关节在稳定性方面、ACL受力方面均优于ASB法重建,原因可能与旋转中心内移导致解剖重建的ACL对抗旋转外力的力臂减小有关;② 不经胫骨隧道的过顶位重建可能是一个潜在的选择,但有待于进一步的研究。

基金项目

广东省清远市社会发展领域自筹经费科技计划立项2016B147;广东第二人民医院青年科研基金项目:2015-014。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
齐勇, 孙鸿涛, 江辉耀, 麦卓敏, 黎飞猛, 樊粤光. 不同胫骨后倾角下两种方法重建ACL有限元分析[J]. 外科, 2018, 7(4): 91-100. https://doi.org/10.12677/HJS.2018.74015

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