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ACL移植物初始力对胫股关节接触性能影响

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第29卷第2期 Vol.29 No.2 工 程 力 学 2012年 2 月 Feb. 2012 ENGINEERING MECHANICS 205

——————————————— 收稿日期：2010-05-07；修改日期：2010-07-23 基金项目：国家自然科学基金项目(50975013) 通讯作者：黄荣瑛(1955―)，女，甘肃人，副教授，博士，从事骨外科生物力学与医疗机械研究(E-mail: buaahry@yahoo.com.cn). 作者简介：徐 强(1985―)，男，江苏人，硕士，从事有限元非线性仿真研究(E-mail: trhy2007@126.com)； 许勇刚(1985―)，男，湖北人，硕士，从事生物力学及仿生机构的研究(E-mail: xuyonggang221@163.com)； 郑红光(1986―)，男，湖北人，硕士，从事生物力学及仿生机构的研究(E-mail: zheng19860214@163.com)； 郭云飞(1987―)，男，山西人，硕士，从事有限元仿真研究(E-mail: klzzhy@163.com). 文章编号：1000-4750(2012)02-0205-07 ACL移植物初始力对胫股关节接触性能影响 徐 强，黄荣瑛，许勇刚，郑红光，郭云飞 (北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191) 摘 要：为深入研究ACL重建中移植物初始力对术后膝关节性能的影响，该文从MRI数据中提取膝关节各组织来构造出正常膝关节三维模型，通过对正常膝关节添加隧道与植入ACL移植物构建出ACL单束/双束重建膝关节模型。随后在压扭、压弯及压扭弯载荷作用下通过对ACL移植物施加10N~100N范围内的初始力进行有限元仿真，以此来分析初始力对关节软骨、半月板、移植物的应力分布影响以及对关节间接触力和关节位移的影响，所得结论如下：首先，单束/双束重建胫股关节的软骨、半月板的应力分布受初始力影响较小，其最大等效应力随初始力的变化分别不超过25%和20%，但移植物上的最大应力却随初始力的增加明显增大；其次，单束重建关节中半月板传递的轴向载荷随初始力增大而增加，双束重建关节中半月板传递载荷则随着初始力的增大反而减小；最后，在初始力10N~100N范围内，胫骨前移与所承受的前向力载荷之间基本成线性关系，前移量随初始力增大而减小。根据重建关节特性曲线表明，初始力对双束重建的影响稍微小于单束重建。 关键词：初始力；前交叉韧带；重建；有限元；应力 中图分类号：TB12; R318.01 文献标志码：A EFFECT OF THE INITIAL FORCE OF GRAFTS ON THE CONTACT CHARACTERISTIC OF TIBIO-FEMORAL JOINT AFTER ACL RECONSTRUCTION XU Qiang , HUANG Rong-ying , XU Yong-gang , ZHENG Hong-guang , GUO Yun-fei (School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China) Abstract: To further evaluate the effect of the initial force of grafts on the characteristic of a knee after ACL reconstruction, the normal model of a tibio-femoral joint was firstly constructed from the tissues extracted from the MRI data of a knee. Then the single-bundle and double-bundle ACL reconstruction models of the joint were derived by introducing the tunnel and graft to the normal model. The experiments were carried on by applying 3 kinds of loads (compression-torsion load, compression-bending load and compression-torsion-bending load) ranged from 10N to 100N to the graft to analyze the effect of the initial force on the stress distribution of cartilages, meniscus and grafts, contact forces between joint tissues and the displacements of the joint. The results show that: 1) the effect of the initial forces on the stress distribution of the cartilages and meniscus after the single-bundle or double-bundle ACL reconstruction is not significant, the maximum stress changing is less than 25% and 20% respectively, but the maximum stress on the graft will increase dramatically as the initial force increases; 2) In the single-bundle model, the axial load transferred by meniscus will increase as initial force increases, but in the double-bundle it will decrease; 3) When the initial force increases from 10N to 100N, the 206 工 程 力 学

anterior displacement of the tibia changes linearly as the anterior force changes, and the anterior displacement decreases as the initial force increases. According to characteristic curves of the reconstruction modals, the effect of the initial force on a double-bundle model is less than that on a single-bundle one. Key words: initial force; anterior cruciate ligament; reconstruction; finite element; stress 前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament，ACL)重建是膝关节重建手术中的重要手术，虽然关节镜的应用提高了移植隧道的定位精度，显著提高了手术质量，但根据术后调查统计报道该手术成功率仍在75%~90%左右[1]。因此，有一定比例的患者就需要承受术后的关节疼痛或二次手术的痛苦。影响ACL重建质量的因素很多，除隧道的定位精度之外，前交叉韧带移植物端部固定时的初始力也是其主要因素之一。对此，本文应用有限元仿真展开移植韧带初始力对胫股关节应力、接触以及力传递等的影响研究。 关于ACL重建初始力对膝关节传递负载与支撑稳定的影响，虽然国内外学者进行了较为细致的分析与实验研究，但因膝关节的生物结构与力学结构的复杂性，至今仍未达成一致的认识。从考虑关节稳定的角度Lewis[2]等人对移植ACL加载了67N的初始力，获得了较好的修复后膝关节的动力学效果，但却限制了关节的活动范围；Fleming[3]等人和Beynnon[4]等人依据对有关ACL重建术后恢复情况调查资料的分析，提出ACL移植定位时施加44N初始力的建议；而Kampen[5]等人通过对38名施加不同初始力的ACL重建者术后随访结果的对比分析，得到施加20N初始力已足够恢复膝关节稳定，若采用等于或小于该值的初始力有利于降低重建手后髌腱恶化风险概率的结论；Boylan[6]等人通过对尸体膝关节作ACL重建实验，得到在使用腘绳肌腱作ACL移植术时初始张力应在68N左右的 结果。 应用有限元仿真来探索最佳移植ACL初始力的研究还处于探索阶段，主要的研究有：Suggs[7]等人通过将韧带以及移植物用非线性弹簧代替首次建立了ACL重建有限元模型，指出40N的初始力就会过分限制位移，但论文中没有涉及到对关节接触间应力等方面的研究；Raminaraka[8]等建立了PCL(后交叉韧带)重建模型，但由于欠考虑重建中的一些因素，从而得出重建后接触压力比缺损情况还大的结论；Pena[9]等人建立了ACL单束重建模型来对比分析初始力对胫骨位移以及移植物应力的影响，但因模型中未含软骨及半月板，使得计算结果与术者重建膝关节的应力分布存在一定偏差。 本文的研究主要集中于应用有限元仿真对单束、双束两种重建术中施加10N~100N的系列初始力来分析初始力对关节处软骨、板月板、移植韧带的应力分布影响，以及对半月板传递力及胫骨位移特性的影响。本文的研究主要为避免ACL二次重建，提高重建手术质量提供基础数据。 1 建立重建胫股关节有限元模型 ACL重建胫股关节有限元仿真模型的建立分为两个过程，即建立ACL重建胫股关节三维几何模型与ACL重建有限元模型。 1.1 建立单束/双束重建胫股关节几何模型 1.1.1 ACL重建关节的建模过程 单/双束重建胫股关节三维模型的建立主要包括采集膝关节MRI图像数据，随后通过Mimics医学建模软件用灰度阈值识别技术由MRI图像数据重建胫股关节实体模型，再用Geomagic studio软件进行模型的光顺与平滑处理后，在Solidworks软件环境下建立重建模型(添加隧道、移植物ACL等)。图1中生成的ACL重建胫股关节模型取自一健康成年志愿者(175cm，75kg)伸直位的膝关节数据，该模型包括股骨、胫骨、腓骨、关节软骨、半月板、韧带、单束/双束隧道以及移植物在内的重建胫股关节的全部组织元素。 图1 关节模型重建流程 Fig.1 The process of the reconstruction for the joint model MRI文件 STL文件 IGES文件ASM文件DSDB文件 Mimics GeomagicstudioSolidworks识别、涂描 组织 光顺及 平滑处理Ansys 有限元分析 前处理 添加隧道、移植物及装配操作 工 程 力 学 207

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胫骨后倾角在膝关节手术中的临床意义

胫骨后倾角在膝关节手术中的临床意义

胫⾻后倾⾓在膝关节⼿术中的临床意义

作者：林晓东、郑沐欣、夏威夷、刘洪亮、许树柴、黄泽鑫

来源：中华创伤⾻科杂志, 2019,21(10)

胫⾻后倾⾓（posterior tibial slope, PTS）代表胫⾻平台的倾斜⾓度，是膝关节⽮状位形态的重要结构，临床上常被⽤来评估全膝关节置换术（total knee

arthroplasty, TKA）后假体位置是否合适。因其⼤⼩影响下肢⽮状位⼒线的位置，进⽽影响膝关节的稳定性，是左右膝关节⼿术是否成功的必要因素。但

其重要性常被忽略，从⽽导致不必要的翻修⼿术。此⽂的主要⽬的在于描述PTS的测量⽅法以及其对膝关节⼿术的影响，使术者全⾯了解PTS的临床意义与应⽤，最终提⾼⼿术的成功率。

⼀、流⾏病学

⽂献证明PTS在种族与性别之间存在明显差异[1,2,3,4]

。⽩种⼈PTS平均为7.7°，⿊种⼈平均为10.2°。性别⽅⾯，⼥性⽩种⼈的PTS平均为7.6°，男性⽩

种⼈平均为6.4°，两者有显著差异[4]

。亚洲⼈PTS较⼤[1]

，平均可达11°[2]

。张树栋等[5]

研究表明中国⼈的PTS平均为11.5°。但普遍接受的观点是正常⼈

的PTS平均为7°[6,7]。

⼆、PTS的测量

PTS被定义为内外侧平台切线和与胫⾻解剖轴的垂直线所形成的夹⾓[8](图1)。获取准确的PTS，必须具备标准的膝关节侧位线⽚（即X线⽚包括踝膝关

节，股⾻后髁尽量重叠或后髁分离⼩于5 mm[6]

）。下肢处于中⽴位时，胫⾻内旋或外旋⼩于15°的范围内测出的PTS不受胫⾻旋转影响，并且胫⾻外旋⼤

于15°时，侧位X线⽚⽰胫腓联合分离，胫⾻内旋⼤于15°时，胫腓联合完全重叠[9]

。根据这些特点，可获取较为准确的PTS。CT、MRI与X线⽚常⽤于测

量该⾓度，但在测量上缺乏⼀致性[3]

。使⽤CT和MRI测量PTS时，较易区分内外侧平台，然⽽其缺点只能观察到胫⾻近端，在常规扫描中⽆法确定纵轴

（即胫⾻解剖轴）[10]

膝关节前交叉韧带断裂损伤研究

膝关节前交叉韧带断裂损伤研究

第２６卷第８期　２０１０年８月　山东体育学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ　２０１０　

膝关节前交叉韧带断裂损伤研究　

毛海涛　

（西安建筑科技大学体育系，陕西西安７１００５５）　

摘要：膝关节前交叉韧带（ＡＣＬ）断裂是发生率较高而又严重的运动损伤，对ＡＣＬ和膝关节的功能解剖及生物　力学做了进一步分析，认为镜下前交叉韧带重建术创伤小，骨道定位准确，重建的韧带可达到牢固的生物学固定，　

以达到更有效的康复效果。　关键词：膝关节；前交叉韧带；重建术　

中图分类号：Ｇ８０４．５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—２０７６（２０１０）０８—００５３－０３　

ＡＣＬ　ｒｕｐｔｕｒｅｄ　ｉｎｊｕｒｙ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　

ＭＡ０月　一ｔａｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＣＬ　ｒｕｐｔｕｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｈａｐｐｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｓｐｏｒｔ　ｉｎｊｕｒｉｅｓ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｄｉｓｓｅｃｔ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　

ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ＡＣＬ　ａｎｄ　ｋｎｅｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｆｕｒｔｈｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　ａ　ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　

ｏｆ　ａｒｔｈｏｓｃｏｐｉｃａｌｌｙ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ａｎｔｅｒｉｏｒ　ｃｒｕｃｉａｔｅ　ｌｉｇａｍｅｎｔ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆ０ｒ　ｔｈｅ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｇｏｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　

前交叉韧带损伤

前交叉韧带损伤

前交叉韧带损伤

一 概述

前交叉韧带（anterior cruciateligament， ACL）是稳定膝关节的重要结构，在膝部各韧带中最易受损。ACL断裂后，膝关节的不稳不但会影响日常活动和运动，而且会造成关节内结构的进一步损伤。因此，为了恢复膝关节结构及功能，对损伤的ACL需要进行重建已经成为共识。目前在ACL重建手术中，依据重建材料划分，重建ACL的方法可分为自体组织重建ACL、异体组织重建ACL，以及人工韧带重建ACL。

ACL起点位于股骨外髁髁间凹面的后内侧部分，止点位于胫骨髁间隆突之间以及其前侧的坡面，内、外侧半月板前角之间。因为ACL由起止点和走行都明显不同的纤维组成，一般学者主张将其分为不同的束。除了少数作者主张将ACL分为3束外，大部分作者主张将ACL分为2束，即根据其在胫骨附着的相对位置，分为前内侧束（anterior-medial， AM）和后外侧束（posterior-lateral， PL），并且，AM和PL在膝关节不同屈曲度时位置和紧张度不同。实际上，ACL在中段分束相对比较明显，其次为股骨附着部，在胫骨附着部分束最不明显。即使在ACL中段，其横截面也不规则，并非由一个圆形条索组成，也并非由两个圆形条索组成。女性ACL中段横截面面积约35mm2，男性约44mm2。

二 病因

前交叉韧带损伤多由运动或车祸造成。

三 临床表现 创伤发生时，患者可听到响亮的破裂声，随后出现膝关节剧烈疼痛、活动受限，以及明显的肿胀。急性期过后，患者症状可明显减轻，部分患者偶尔会出现“打软腿”现象。

四 检查

1.体格检查

（1）前抽屉试验（anterior drawer test） 患者平卧位，将患膝屈曲至90°，助手固定患者足部，如单人检查则检查者可坐于患者足背，双手拇指置于小腿近端前方，另外四指置于小腿近段的后方，膝关节前向用力。ACL损伤患者可有明显前向松弛感。其中内旋位前抽屉试验可检查ACL、外侧韧带结构，中立位前抽屉试验检查ACL，外旋位前抽屉试验可检查ACL和内侧韧带结构。前抽屉试验虽然是检查ACL损伤的经典方法，但是，存在很多缺点，如对于急性损伤患者因关节内血肿而不能屈膝检查，由于半月板后角于股骨髁后的阻挡而易出现假阴性，由于阻滞结构较多，无法分辨软性和硬性终止点。

前交叉韧带重建植入位置最重要的五点基本理论：IDEAL股骨隧道定位

前交叉韧带重建植入位置最重要的五点基本理论：IDEAL股骨隧道定位

前交叉韧带重建植入位置最重要的五点基本理论：

I.D.E.A.L股骨隧道定位

在美国，外科医生每年进行估计200000例重建前交叉韧带手术。在过去的 十年中，人们越来越重视用解剖指导ACL重建。随着对解剖重新重视起来，特别 是插入点，许多学者都主张一种完整或近乎完整的“足迹恢复"解剖ACLR。有人 建议双束28）技术，完全“填满”解剖足迹，但它很少使用。还有人建议把股骨 隧道位置集中在ACL足迹上，希望同时得到前内侧束（AM）和后外侧束（PL） 的功能。事实上，大多数解剖技术重建ACL手术最主要目标是创造一个基于股 骨足迹中心点的股骨隧道。采用单束技术，股骨窝位于整个股骨足迹的中心；采 用双束技术，股骨窝位于前内侧束（AM）和后外侧束（PL）的中心点。

然而，由于本地ACL的复杂形状，使用中央隧道或双束方法恢复股骨足迹 的策略受到了挑战。股骨足迹是前交叉韧带中间部分的3.5倍。详细解剖研究最 近表明ACL股骨起源有粗壮的前内侧带状纤维像扇状向后延展。由于ACL纤维 延长了骨的足迹，它们形成了一个9到16毫米宽，2至4毫米厚的带状结构。 在这个结构中，没有明确的AM和PL束的分离。这种结构的存在是有道理的， 因为解剖上固有的缺口。事实上，对ACL的空间狭小，为后交叉韧带（PCL）在 完全伸膝时占最大的部分，ACL必须通过一个薄5mm的槽。因此，两股足迹， 管状的ACL可能不会重现ACL的动态三维形貌。

根据股骨足迹和ACL的中间部分大小之间的差异，似乎合理的优化ACL股 骨隧道的位置可能比简单地在脚印内的隧道或试图最大限度地覆盖足迹更为复 杂。在这篇文章中，我们将40年的研究经验为ACL股骨隧道定位5点战略，这 些是基于解剖学、组织学、生物力学、临床数据等。这些点总结为缩写的I.D.E.A.L.， 股骨隧道位点的等距性（Isometric）；重建ACL股骨直接止点（Direct insertion）; 偏离中心定位于足迹的前（高）和近（深）区Eccentrically located）；股骨隧道 在解剖足迹内（Anatomical）；保持移植物不承受过度张力（Low tension）。