三维有限元分析内侧半月板全部切除后不同软骨缺损面积对膝关节应力的影响
姬林松，李彦林，黄赞，贾笛，余洋，高寰宇 （昆明医科大学第一附属医院 运动医学科，云南 昆明 650032
摘要：目的 利用核磁共振成像（MRI）二维图像数据准确构建出膝关节三维有限元模型，采用有限元方法 分析内侧半月板全部切除后股骨软骨缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。
方法 利用膝关节 MRI 图像建 立包括股骨、胫骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、髌骨及髌韧带的仿真膝关节数字化模型，在内 侧半月板全部切除后的仿真数字化模型上于股骨内侧髁部最容易损伤部位虚拟 0.49、0.80、1.0、1.70、2.56 及 3.24 cm2 大小的缺损模型，在股骨上施加 1 150 N 垂直压应力，类似于在步态周期中的伸直状态，主要分析膝关 节软骨及半月板最大压应力与最大剪切应力。
结果 内侧半月板全部切除后股骨内侧髁部软骨缺损对内外侧 间室接触应力均有影响，但以内侧间室影响较为明显。
结论 利用仿真膝关节数字化模型可以有效模拟正常膝 关节生物力学变化及内侧半月板全部切除后缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。关键词：膝关节；软骨缺损面积；生物力学；有限元分析；半月板切除
半月板在膝关节运动过程中发挥着非常重要的 作用。它除了传递载荷及分散负荷、维持关节稳定 外，还有着吸收震荡、增加关节接触面、润滑关节等 功能[1]。研究表明，半月板全部切除数年后会导致关 节软骨持续损伤[2]。因为半月板切除后膝关节会出现 较高的应力峰值、较大的应力集中及减震能力的下 降等，上述现象明显改变膝部负重模式[3]。同时会改 变膝关节应力分布，减少膝关节接触面积，而且膝关 节接触应力及剪切应力幅度与梯度均明显增加[4]。既 往有研究半月板切除后膝关节应力改变，亦有利用 有限元方法分析膝关节股骨髁软骨缺损面积对膝关 节应力变化的影响。但利用半月板切除后的膝关节 数字化模型分析软骨缺损面积对膝关节应力变化 的影响的研究较少。Pena 等[5]报道的模型并未包括 内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、髌骨 及髌韧带等主要结构，应用垂直应力时由于没有韧 带限制股骨可能相对胫骨发生前移，模型过于简单 而且未考虑膝关节软骨厚度。本研究利用包括股 骨、胫骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧 带、髌骨及髌韧带等重要结构的仿真膝关节数字化 模型，并利用该模型分析内侧半月板全部切除后位 于股骨内侧髁不同面积软骨缺损对膝关节接触应力 和软骨缺损边缘应力变化的影响，有利于进一步了 解软骨缺损与骨关节炎的关系。
1 资料与方法
1.1 研究对象及主要仪器
随机选取 1 例健康成年男性为研究对象。年龄 27 岁，身高 160 cm，体重 52 kg，无膝关节外伤史及 风湿关节病史，行 X 线及 MRI 检查排除膝关节骨 折、畸形、退变、半月板损伤、滑膜炎等病理变化。GE1.5T 超导型磁共振（美国 General Electric 公司）， 戴尔工作站 Precision T7500，CPU：Intel（至强）E5645 2.40 GHz 六核（X2），内存：24 GB DDR3 1 333 MHz， 硬盘：1 TB 7 200 转，SATA，显卡：NVIDIA Quadro 4 000 2 GB，操作系统：Windows 7 专业版（64 bit）。交互式 医学影像控制系统 mimics 16.0 软件（Materialise's interactive medical image control system，比利时 Materialise 公司，由西南交通大学计算机学院提供使 用），Geomagic Studio 12 逆向工程软件 （美国 Geomagic 公司，由上海数造机电有限公司提供使用）， Imgeware 13.0 逆向工程软件 （美国 EDS 公司），Hypermesh 11.0 计算机辅助工程软件 （美国 Altair 公 司），Anasys 14.5 有限元分析软件 （美国 Anasys 公 司），均由西南交通大学计算机学院提供使用。
1.2 研究方法
1.2.1 二维图像采集 采用 GE 1.5T 超导型磁共振 机 MRI 扫描，获取二维图像，扫描体位：膝关节自然 伸直并外旋 10～15°角度固定。扫描参数设定为：矢状位 3D 质子密度加权成像序列，TR：11 000 ms， TE：25 ms；层厚 1.0 mm；层间距 0.2 mm；回波链 14；激励 2 次；矩阵：192/320；FOV：18。
1.2.2 建立三维模型 在计算机工作站上，将膝关 节 MRI 扫描图像以 DICOM 格式导入 Mimics 16.0， 定义上、下、左、右、前、后方向后，Mimics 16.0 中显 示出矢状位、冠状位、额状位的二维图像。
在“Masks ”中建立一种新的绿色（Green），选择 “Segmentation Menu” 中 的 “Thresholding”， 通 过 “Thresholding”调整上下阈值至蓝色“Masks”完全 覆盖所有层面的骨组织。选择“Edit Masks”菜单中 的“Erase”擦除股骨周围多余的绿色，定义出骨组织 边缘。在 Green Masks 中选择“Region Growing”，点 击不同的骨组织，“New Masks”，完成不同骨的划 分。选 择“Segmentation Menu”中 的“Calculate 3D from Masks ”，采用“High Quality ”计算方法，运行 后重建出膝关节三维数字化模型。
1.2.3 建立三维数字化模型及定义弹性模量 将三 维模型数据导入 Geomagic Studio 12 逆向工程软 件，通过定位点配准、曲面优化等过程，运算出一个 膝关节三维数字化模型。
在 Hypermesh 11.0 软件中对膝关节数字化模 型进行网格划分，网格划分后最终构建成包含股 骨、胫骨、腓骨、内外侧副韧带等完整的三维有限元 模型（见图 1）。通过查阅文献，按表 1 定义弹性模量[6-7]。
1.2.4 缺损模型建立 在膝关节数字化模型将内侧 半月板全部切除，然后于股骨内侧髁最常见损伤部 位制造 0.49、0.80、1.0、1.70、2.56 及 3.24 cm2 大小的 缺损模型，深度足够达软骨下骨[8]。在股骨上施加 1 150 N 垂直压应力，类似于步态周期中的伸直状态，以内侧半月板切除后软骨缺损组为实验组，膝 关节各部位完整的正常组为对照组分析膝关节软 骨及半月板最大压应力与最大剪切应力。3 例测试 者分别对已建立的三维有限元模型进行分析，分别得 到关节软骨和半月板各部位应力分布图，经统计学 计算得到 3 次分析结果的平均值及标准差。
1.3 统计学方法采用 SPSS 20.0 统计软件进行数据处理，计量资 料用均数±标准差（x±s）表示，统计分析用两独立 样本的 t 检验，P <0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 正常软骨有限元分析结果
由应力分布图可见（见图 2），对于正常膝关节， 股骨内侧髁及外侧髁的前部软骨有较高的应力，最大压应力分别为（2.9±0.12）和（4.0±0.17）MPa，双 髁后部软骨最大压应力分别为（0.9±0.10）和（0.7± 0.09）MPa，可见股骨内侧髁及外侧髁的前部为高负 重区，而双髁后部为低负重区。与股骨髁部类似，胫 骨平台也存在高负重区与低负重区，内侧胫骨平台 及外侧平台软骨最大压应力分别为 （3.8±0.11）和 （1.9±0.25）MPa。而对于半月板，大部分应力集中于 内侧半月板后角及外侧半月板前角，最大压应力分 别为（3.1±0.12）和（5.1±0.26）MPa。故股骨髁及胫 骨平台部软骨、半月板均存在低负重区及高负重区。
2.2 软骨缺损模型有限元分析结果
对正常膝关节软骨及半月板应力分析结果进行 统计学分析，分析采用两独立样本 t 检验。软骨缺损 组与正常组比较，股骨内侧髁及内侧胫骨平台关节 软骨最大压应力及最大剪切应力，差异有统计学意 义（P <0.05）。软骨缺损组与正常组比较股骨外侧髁 及外侧胫骨平台关节软骨、外侧半月板最大压应力 及最大剪切应力均差异有统计学意义（P <0.05）。说 明内侧半月板全部切除后股骨内侧髁部软骨缺损 对内外侧间室接触应力均有影响，但以内侧间室影 响较为明显。
各个软骨缺损边缘的应力均明显出现应力集 中，缺损面积越大应力升高越明显（见图 3~5 和表 2~5）。内侧半月板全部切除后即使是缺损面积较小的 0.49 cm2 与 0.80 cm2 的应力升高也极为明显（见表 2~5 和图 4~5），缺损边缘最大压应力分别为（4.8± 0.23）MPa 和（5.85±0.13）MPa，相对于正常软骨（2.9± 0.12）MPa 分别增高 65.5%和 101.7%。0.49 cm2 与 0.80 cm2 缺损面积的剪切应力分别为（2.8±0.13）MPa 和（3.4±0.05）MPa，相对于正常软骨（1.7±0.22）MPa 分别增高 64.7%和 100%。
3 讨论
本研究重建的数字化模型包括股骨、胫骨、内外 侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、髌骨及髌 韧带等膝关节主要结构。建立高保真度的膝关节数 字化模型，从而确保获得的接触应力更接近实际情 况。本室验建立的模型软骨缺损处位于内侧髁，主要 考虑内侧髁软骨是膝关节最容易损伤部位 [9]。Lee 等[10]发现，半月板成型后影响关节软骨退变主要为 最大接触应力而非平均接触应力，因此，本实验仅计 算最大压应力及最大剪切应力。
实验结果显示，内侧半月板全部切除后，由于股 骨髁中间区域软骨因直接与胫骨平台软骨相接触， 即使是较小的缺损面积，缺损边缘及内侧胫骨平台 最大压应力增高也非常明显，缺损面积越大，应力增 高也更大。而且未发现与内侧半月板完整时虚拟股 骨内侧髁部不同缺损面积出现的分界线效应[5]。既 往研究显示，半月板撕裂或者部分切除后对外侧间 室应力影响不大[11]，但本实验结果显示，内侧半月板 全部切除后外侧间室应力增高明显，说明内侧半月 板全部切除后股骨髁部软骨缺损对内外侧间室应 力分布均有影响，缺损面积越大影响越大，尤其对内 侧间室影响更大。外侧间室在内侧半月板全部切除 后软骨及外侧半月板最大应力均明显增加，可能是 内侧半月板全部切除后膝关节力线发生改变，内侧 关节间隙变窄，膝关节应力分布改变导致[12-13]。
既往研究表明，较大面积的软骨缺损相对小的 软骨缺损常常有较差的临床结果，可能预示着软骨 的退变与软骨缺损面积有较大的关系[14]。对于较大的 软骨缺损，负重区域应力会重新再分布，这将导致正 常软骨因负重增加而出现关节内流体压降低，从而 出现软骨营养不良及关节摩擦力增加，从而出现正 常软骨退变[6，15]。本实验亦证明该观点，较大的软骨 缺损边缘应力明显增加，由此可能导致部分正常软 骨退变，而对于缺损面积较小的软骨缺损，应力增加 不明显。与 Pena 及 Dong 的实验结果类似[5，16]。
当然本实验仍存在一些局限性。首先，实验分析 膝关节伸直位时膝关节各部位的应力变化，而没有 行动态模拟分析；其次，半月板及软骨在实验中被定 义为单相线弹性和同一性的材料，而学者多认为他 们应该在建模时考虑时变性的多孔弹性材料。另外 软骨缺损模型为不同面积的四方形，可能与临床的 实际情况有一定差异。尽管存在以上局限性，实验仍 有助于了解不同缺损面积对膝关节应力变化的影 响，为临床工作提供理论依据。
章仅供学习交流，版权归原版作者所有，如涉及侵权请联系删除
针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；
服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。
