有限元技術(shù)在膝關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳海南 董啟榕

有限元技術(shù)在膝關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳海南 董啟榕

有限元分析是指用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。有限元分析(finite element analysis， FEA)是將一個(gè)復(fù)雜的生物體劃分成一個(gè)個(gè)的小網(wǎng)格(單元)，計(jì)算后再將其整合成一個(gè)整體，從而得出研究對(duì)象的各種參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。因小單元是規(guī)則的小的正立方體，計(jì)算相對(duì)容易，所以隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，有限元法近年來成為處理各種復(fù)雜問題的行之有效的手段[1]。有限元方法最早應(yīng)用于工程力學(xué)領(lǐng)域，直到20世紀(jì)60年代后期才被引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。此后它將對(duì)骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)許多問題的研究，從早期二維平面分析迅速發(fā)展為三維實(shí)際情況的分析。又隨著高分辨率大型MRI及CT設(shè)備的發(fā)展，以及有限元分析軟件處理能力的不斷強(qiáng)大，使得有限元分析在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)許多復(fù)雜問題的研究中得到廣泛應(yīng)用[2]。膝關(guān)節(jié)是人體最重要、最復(fù)雜的一個(gè)負(fù)重關(guān)節(jié)，股骨、脛骨平臺(tái)、髕骨、半月板、韌帶共同構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)并行使功能。以往研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)及病理變化常用臨床觀察、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，均存在主觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不一，花費(fèi)大，離體與在體之間差異，條件難以控制，不能反映實(shí)際情況等不足。因此有必要建立符合人體膝關(guān)節(jié)特征的三維模型，正確反映膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的形態(tài)及相互關(guān)系[3]，從而有助于解決臨床實(shí)際問題。

1 膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立

有限元仿真計(jì)算是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來的一種有效地?cái)?shù)值方法，而用有限元法進(jìn)行生物力學(xué)分析是近年來發(fā)展起來的一種生物力學(xué)研究方法。伍中慶等[4]結(jié)合X線片用X-CT對(duì)尸體膝關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描，利用Ansys有限元軟件，對(duì)膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型進(jìn)行重建，包括股骨、脛骨、髕骨及半月板，重建的幾何體逼真、客觀，為分析股骨、脛骨、髕骨和半月板的力學(xué)特性提供了模型基礎(chǔ)。汪強(qiáng)[5-6]的結(jié)果提示三維模型較以往兩維平面有限元模型有明顯優(yōu)點(diǎn)：①模型網(wǎng)格劃分更細(xì)，建立的單元和節(jié)點(diǎn)更多，模型更接近解剖學(xué)實(shí)際。②圖像數(shù)據(jù)直接來自CT掃描，避免了圖像生成、轉(zhuǎn)化與存取中的信息丟失，且圖像精確。③嚴(yán)格區(qū)分了半月板與關(guān)節(jié)軟骨。王光達(dá)等[7]通過一名男性健康志愿者的膝關(guān)節(jié)掃描，通過有限元軟件處理成功建立了一個(gè)完整的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括脛骨、股骨、髕骨、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶，髕韌帶及雙側(cè)半月板。模型可以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察，整體外形及各組成部件均與實(shí)體標(biāo)本具有滿意的相似性，黃建國等[8]通過了MSC.MARC建立膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，得到脛骨骨折患者的膝模型，認(rèn)為對(duì)脛骨平臺(tái)骨折的診斷，手術(shù)策劃和治療具有較大的指導(dǎo)作用。模型確立后可以為膝關(guān)節(jié)的創(chuàng)傷、骨折的力學(xué)分析及人工關(guān)節(jié)的開發(fā)提供方法學(xué)的支持。姜華亮等[9]在MRI基礎(chǔ)上建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括膝關(guān)節(jié)所涉及的幾乎所有骨骼、軟骨，半月板和韌帶等基本力學(xué)的模型，并認(rèn)為MRI比CT對(duì)軟組織顯像更清晰。重建的模型更逼真、客觀，能夠更真實(shí)地反映膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物力學(xué)屬性。

2 有限元在膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)復(fù)雜多樣，更多的力學(xué)反映在運(yùn)動(dòng)過程中，受力特點(diǎn)更加復(fù)雜。因此，應(yīng)用三維有限元方法建立膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，無創(chuàng)、快速地研究膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性、損傷的機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)臨床工作有現(xiàn)實(shí)意義。有研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)伸直時(shí)應(yīng)力主要分布于ACL近股骨上點(diǎn)處。說明ACL是對(duì)抗脛骨前移的主要結(jié)構(gòu)，其與臨床上ACL損傷多發(fā)生在股骨上點(diǎn)處相一致。膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，PCL是對(duì)抗脛骨前移的首要結(jié)構(gòu)，且應(yīng)力主要集中在近脛骨止點(diǎn)處，這與臨床PCL斷裂多發(fā)生在脛骨止點(diǎn)處相一致。同時(shí)對(duì)模型施加內(nèi)外翻應(yīng)力，分別在LCL腓骨上點(diǎn)和MCL近股骨上點(diǎn)應(yīng)力較大，說明MCL、LCL是對(duì)抗膝外、內(nèi)翻的主要結(jié)構(gòu)。與臨床內(nèi)、外側(cè)副韌帶損傷位置一致。進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪強(qiáng)等[5]通過對(duì)膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立，同時(shí)研究了加載后，得到膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)面典型節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力值，提示正常膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前、后部大，中部小分布；外側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前部大，中后部稍小分布，且較內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面分布均勻。姚杰等[11]利用膝關(guān)節(jié)有限元模型和模擬跳傘著陸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)半蹲式跳傘著陸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析膝關(guān)節(jié)損傷的機(jī)理。結(jié)果顯示，關(guān)節(jié)內(nèi)組織的應(yīng)力水平隨著跳落高度的增加而增加，外側(cè)半月板和關(guān)節(jié)軟骨承受了較大的載荷，前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶在屈膝角度達(dá)到最大時(shí)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，此時(shí)更易斷裂。吳宇峰等[12]通過有限元模型研究了髕骨在運(yùn)動(dòng)及損傷過程中的受力情況，結(jié)果顯示應(yīng)力集中于髕骨的上極和下極，說明骨折的好發(fā)部位即在髕骨的上下級(jí)，與臨床基本相符。辛力等[13]通過有限元方法對(duì)合并膝關(guān)節(jié)脫位的脛骨平臺(tái)骨折4種內(nèi)固定方法進(jìn)行比較。結(jié)果提示MDP(內(nèi)側(cè)雙鋼板)固定后的應(yīng)力最小，其后依次是BDP(雙側(cè)雙鋼板)與MSP(內(nèi)側(cè)T型單鋼板+拉力螺釘)，而LLP(外側(cè)鎖定鋼板+拉力螺釘)固定的應(yīng)力最高。給臨床治療類似骨折選擇治療方案提供參考。

3 膝關(guān)節(jié)置換相關(guān)有限元分析研究

人工膝關(guān)節(jié)置換是治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝關(guān)節(jié)置換。三維有限元法是先進(jìn)而有效的生物力學(xué)分析方法，利用該方法從生物力學(xué)角度分析全膝關(guān)節(jié)置換后的應(yīng)力分布情況對(duì)探討全膝置換有重要意義。膝關(guān)節(jié)置換前要對(duì)患者膝關(guān)節(jié)病情有詳細(xì)了解，全面檢查，嚴(yán)格選擇假體類型。根據(jù)假體的使用部位將假體分為單髁假體(單間隔假體)、不包括髕股關(guān)節(jié)置換的全關(guān)節(jié)假體(雙間隔假體)、全關(guān)節(jié)假體(三間隔假體)。如果術(shù)前對(duì)準(zhǔn)備手術(shù)的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描、重建，建立三維有限元模型，然后進(jìn)行逆向工程CAD/CAM，選擇制作適合該關(guān)節(jié)的人工假體必將更適應(yīng)患者，術(shù)后生物力學(xué)性能必將更好，松動(dòng)翻修的機(jī)率將明顯降低[14]。術(shù)中選擇置換假體，脛骨和股骨配對(duì)關(guān)系，術(shù)后假體接觸表面的應(yīng)力變化可能增加磨損及松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，有研究[15]將股骨側(cè)3號(hào)鈷鉻合金假體，與脛骨側(cè)2.5號(hào)(3/2.5配對(duì))，3號(hào)(3/3配對(duì))，4號(hào)(3/4配對(duì))鈦合金金屬托及對(duì)應(yīng)尺寸的10 mm厚度聚乙烯墊片配對(duì)。構(gòu)建有限元模型，模擬雙腿站立，平地行走，上樓梯情況下，對(duì)各屈膝角度的最大等效應(yīng)力進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)3/2.5配對(duì)，3/4配對(duì)假體接觸面最大等效應(yīng)力明顯增高，有增加聚乙烯墊片磨損風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)Liau等[16]研究了假體對(duì)線不齊時(shí)接觸應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力大幅度增加。定制假體盡管重建保肢符合人體生物力量規(guī)律，短柄假體可引起骨水泥應(yīng)力集中，重建后發(fā)生骨折，骨水泥碎裂風(fēng)險(xiǎn)較高，但過度增加柄長對(duì)骨的應(yīng)力遮擋水平也相應(yīng)增大[17]。膝關(guān)節(jié)置換后要能負(fù)重行走是最終目標(biāo)，許多靜態(tài)的模型并未涉及其中。最近有研究者對(duì)其關(guān)節(jié)高屈曲活動(dòng)下運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力等動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了研究。通過建立包括主要骨和軟組織的全膝關(guān)節(jié)置換前后的膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)有限元模型，對(duì)天然及全膝置換后膝關(guān)節(jié)下蹲運(yùn)動(dòng)和接觸應(yīng)力分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明在膝關(guān)節(jié)過伸和高屈曲時(shí)，在脛骨高分子聚乙烯平臺(tái)的脛骨平臺(tái)輪柱和平臺(tái)前部的交界處，脛骨平臺(tái)內(nèi)后方和輪柱后部3個(gè)區(qū)域發(fā)生較高的接觸應(yīng)力，這些也正是假體發(fā)生較高磨損的部位。這為膝關(guān)節(jié)假體的摩擦學(xué)研究及膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)提供有力的分析工具[18]。

4 問題與展望

盡管有限元分析方法在膝關(guān)節(jié)外科研究中有諸多優(yōu)點(diǎn)，能重建出與真實(shí)人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)基本一致的模型，重建的模型逼真、客觀，可以自由旋轉(zhuǎn)，添加、調(diào)整相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)行人體和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)無法完成的生物力學(xué)研究。但它作為一項(xiàng)仍然沒有成熟的技術(shù)，還有許多不足：①研究所用硬件、軟件多為進(jìn)口，價(jià)格昂貴。②操作過程繁瑣復(fù)雜，作為臨床醫(yī)務(wù)人員，學(xué)習(xí)周期長，較難熟練掌握。③人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間關(guān)系密切，互相影響，脫離其他因素，簡(jiǎn)單研究骨骼、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨本身就有失偏頗。④將骨骼內(nèi)各向同性，各向異性等同考慮，簡(jiǎn)化操作，明顯不妥。⑤膝關(guān)節(jié)許多特征及生物力學(xué)都是在運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出來，但許多有限元的研究是靜態(tài)的，未考慮動(dòng)態(tài)研究，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。⑥載荷和邊界條件的選擇，基本都是人為確定的，很多參考國外的文獻(xiàn)，而這是否適用于國人亦未可知。所有這些問題，希望隨著對(duì)膝關(guān)節(jié)發(fā)病機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)一步提高、CT和MRI成像技術(shù)的不斷完善而逐步得到解決，使之更好地為臨床服務(wù)。

[1] Li W， Abram F. Human hip joint cartilage： MRI quantitative thickness and volume measurements discriminating acetabulum and femoral head. IEEE Trans Biomed Eng，2008，55(12)：2731-2740.

[2] 楊玉海，崔誼，崔允峰,等.螺旋CT三維重建評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷的臨床應(yīng)用價(jià)值. 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2004，14(1)：45.

[3] Ben djaballah MZ， Shirazi-Adl A， Zukor DJ.Finite dement analysis of human knee joint in varus-valgus. Clin Biomech (Bristol，Avon)，1997，12 (3)：139.

[4] 伍中慶，吳宇峰，蘇培基,等.膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立.中華實(shí)用中西醫(yī)雜志，2004，4(17):2970-71.

[5] 汪 強(qiáng)，孫俊英，賴震,等.膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立.陜西醫(yī)藥雜志，2007, 36(3)：210-212.

[6] Hirokawa，S.， Tsuruno，R.， Three-dimensional deformation and stress distribution in an analytical/computational modelof the anterior cruciate ligament. Journal of Biomechanics，2000，33：1069-1077.

[7] 王光達(dá)，張祚福，齊曉軍,等.膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析.中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010,14(52)：9702-9705.

[8] 黃建國，史慶南，嚴(yán)繼康,等.膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的重建.中華醫(yī)學(xué)研室雜志，2006，6(4)：415-416.

[9] 姜華亮，華錦明，許新忠,等.正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2008；28(3)：421-422.

[10] G Limbert， M.Taylor， J.Middleton. Three-dimensional finite element modeling of the human ACL： simulation of passive knee flexion with a stressed and stress-free ACL. Journal of Biomechanics，2004，37：1723-1731.

[11] 姚杰， 牛文鑫，王旸,等.跳傘著陸過程中膝關(guān)節(jié)損傷的有限元研究. 醫(yī)用生物力學(xué)，2010，25(4)：244-248.

[12] 吳宇峰，蘇培基，伍中慶,等.髕骨的三維有限元重建及初步力學(xué)分析. 中國中醫(yī)骨傷科雜志,2004，12 (2):1-3.

[13] 辛力，王業(yè)華. 合并膝關(guān)節(jié)脫位的脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)骨折4種內(nèi)固定方法的生物力學(xué)性能靜態(tài)有限元分析.徐州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,28(8):533-536.

[14] Bougherara H, Zdero R, Mahboob Z，et al.The biomechanics of a validated finite element model of stress shielding in a novel hybrid total knee replacement. Proc Inst Mech Eng H,2010,224(10):1209-19.

[15] Completo A, Rego A, Fonseca F, et al. Biomechanical evaluation of proximal tibia behaviour with the use of femoral stems in revision TKA: an in vitro and finite element analysis. Clin Biomech (Bristol, Avon),2010,25(2):159-65.

[16] liau J J， Cheng C K， Huang C H， et al. The efect of malalignment on stresses in polyethylene component of total knee prostheses-a finite element analysis. Clinical Biomechanics，2002，17：140-146.

[17] Completo A, Sim?es JA, Fonseca F. Revision total knee arthroplasty: the influence of femoral stems in load sharing and stability. Knee, 2009,16(4):275-9.

[18] Chandran N, Amirouche F, Gonzalez MH, et al.Optimisation of the posterior stabilised tibial post for greater femoral rollback after total kneearthroplasty-a finite element analysis. Int Orthop,2009,33(3):687-93.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：81171730)

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