淺刺治療膝骨性關(guān)節(jié)炎患者登梯運(yùn)動(dòng)中生物力學(xué)效應(yīng)的有限元分析

劉冬青，趙改平，吳坤能，梁彭，杭聲琪，王薌斌，馬童，凃意輝

1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院（上海，200093）

2.福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三人民醫(yī)院 康復(fù)科（福州，350100）

3.同濟(jì)大學(xué)附屬楊浦醫(yī)院骨科（上海，200090）

0 引言

膝骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是常見的進(jìn)行性骨關(guān)節(jié)疾病，是由于軟骨發(fā)生退變或結(jié)構(gòu)紊亂而導(dǎo)致關(guān)節(jié)正常功能受損［1］，給患者行走帶來困難，特別是登梯運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)尤為明顯。治療KOA常見的方法有手術(shù)治療和非手術(shù)治療，非手術(shù)治療中的中醫(yī)針灸療法是KOA早期有效治療方法之一。針灸療法可以改善患者局部血液循環(huán)，使氣血通暢，對(duì)周圍組織起到松解黏連的作用，達(dá)到減輕疼痛，緩解僵硬等效果［2］。其中淺刺針法是毫針刺法的一種，是指將針體刺入穴位內(nèi)組織較淺部位，給予皮下神經(jīng)末梢一個(gè)相對(duì)微弱的刺激［3］，改善血液循環(huán)，減輕軟骨損傷程度，糾正膝關(guān)節(jié)力學(xué)平衡。目前有大量的臨床研究證明淺刺治療KOA療效明確，王娟［4］應(yīng)用溫針灸和電針治療瘀血阻滯型KOA均有良好的臨床效果，均能有效改善患者膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況。齊琳婧［5］通過淺刺運(yùn)動(dòng)療法可減輕KOA患者行走困難。淺刺針法輕巧簡便，且施針后不輔助進(jìn)針手法，患者無痛感，易于患者接受。

隨著醫(yī)學(xué)影像、計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，有限元方法在骨科生物力學(xué)研究中占有重要地位，成為臨床研究中必不可少的輔助手段。Dong等［6］利用CT和MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建更精準(zhǔn)的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，研究股骨軟骨缺損面積擴(kuò)大情況下應(yīng)力變化趨勢。鐘錦然［7］采用三維有限元模型研究電針治療對(duì)KOA患者半月板應(yīng)力的影響情況，發(fā)現(xiàn)電針治療可降低半月板應(yīng)力。林木南等［8］建立針刀治療KOA的模型，發(fā)現(xiàn)針刀治療可以降低軟組織壓力，使關(guān)節(jié)內(nèi)力平衡。針對(duì)淺刺治療KOA的有限元研究文獻(xiàn)報(bào)道較少，且上下樓梯運(yùn)動(dòng)中下肢關(guān)節(jié)較平地步行需要更大的活動(dòng)度與肌力矩來維持運(yùn)動(dòng)，這使得KOA患者在登梯運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出更大的困難［9］。

本研究基于KOA患者膝關(guān)節(jié)CT和MRI圖像數(shù)據(jù)，建立登梯運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)受地面支反力較顯著的屈膝角度上樓梯50°和下樓梯15°的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，研究膝關(guān)節(jié)內(nèi)部生物力學(xué)特性變化，分析淺刺治療前后和健康組膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的應(yīng)力分布，探析淺刺治療KOA的療效。

1 材料和方法

1.1 淺刺治療K OA

KOA屬于中醫(yī)“痹癥”、“骨痹”、“膝痹”等范疇，臨床癥狀表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、運(yùn)動(dòng)受限、關(guān)節(jié)變形，甚至導(dǎo)致患者身體功能障礙，病因主要為氣血虛、肝腎虧損、血脈不通。治療以補(bǔ)氣血、益肝腎、通血脈為主［10］。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)［11］選穴以膝周穴位為主，取穴犢鼻、內(nèi)膝眼、陽陵泉、陰陵泉、膝陽關(guān)、足三里、梁丘、血海等穴位。通過針刺，促進(jìn)膝關(guān)節(jié)局部血液循環(huán)，結(jié)合神經(jīng)調(diào)節(jié)，放松周圍肌肉，減輕患者癥狀，改善膝關(guān)節(jié)功能，從而達(dá)到臨床治療效果［5］。

1.2 人體膝關(guān)節(jié)有限元模型建立

基于膝關(guān)節(jié)CT和MRI圖像數(shù)據(jù)，利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics重建膝關(guān)節(jié)的骨骼、軟骨和韌帶等組織結(jié)構(gòu)，三維配準(zhǔn)后導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic中光潔修復(fù)生成膝關(guān)節(jié)三維幾何模型。通過有限元前處理軟件Hypermesh采用四面體單元網(wǎng)格劃分，根據(jù)韌帶纖維組織特性，采用只承受張力載荷且無壓力特征的Truss單元模擬，建立包括股骨、股骨軟骨、脛骨、脛骨軟骨、半月板、前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）、外側(cè)副韌帶（lateral collateral ligament，LCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（medial collateral ligament，MCL）的人體膝關(guān)節(jié)有限元模型見圖1(a)。依據(jù)上述方法建立KOA患者上樓梯屈曲50°和下樓梯屈曲15°的膝關(guān)節(jié)有限元模型見圖1(b)、圖1(c)。ACL、PCL、LCL、MCL截面積分別是42 mm2、60 mm2、18 mm2和 25 mm2［12］。材料屬性［13-15］由楊氏模量E（MPa）和泊松比μ來描述：骨骼（E=17 000，μ=0.3）、軟骨（E=12，μ=0.46）、ACL（E=116，μ=0.3）、PCL（E=87，μ=0.3）、LCL和 MCL（E=48，μ=0.3）、半月板（E=59，μ=0.49）。

圖1 膝關(guān)節(jié)有限元模型Fig.1 Finite element model of knee

1.3 邊界條件與載荷

與水平行走相比，樓梯運(yùn)動(dòng)需要更大范圍的膝蓋彎曲角度和膝蓋彎曲力矩，膝關(guān)節(jié)承受更大的壓力。根據(jù)福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)測試獲得數(shù)據(jù)，選取身體所受支反力顯著的2個(gè)屈曲角度研究，即上樓梯屈曲50°和下樓梯屈曲15°。淺刺治療前后的載荷數(shù)據(jù)由福建中醫(yī)藥大學(xué)人體三維步態(tài)實(shí)驗(yàn)室通過臨床試驗(yàn)提供，選擇18名年齡在50～80歲之間的早期KOA患者作為研究對(duì)象，要求患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)均有病變，但可以獨(dú)自平地行走，近2個(gè)月內(nèi)可以進(jìn)行淺刺治療，排除患有骨折等不利于步態(tài)監(jiān)測的疾病或重大疾病患者，保證每個(gè)研究對(duì)象均自愿且同意發(fā)表研究結(jié)果。于患者下肢貼mark點(diǎn)，作為動(dòng)作捕捉點(diǎn)，通過地面測力板測得地面對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的反作用力。治療持續(xù)3周，共11次，每次持續(xù)時(shí)間30 min。最后取18名患者治療前后膝關(guān)節(jié)所受載荷的平均值賦給治療前、后模型。

固定脛骨與腓骨下表面，限制6個(gè)方向的自由度，在股骨髁中心點(diǎn)上施加力和力矩，下樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲15°時(shí)，淺刺治療前后分別施加載荷為321 %BW（average body weight為60 kg）、47 N·m和288 %BW、50 N·m。上樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲50°時(shí)，淺刺治療前后施加載荷分別為301 %BW、56 N·m和275 %BW、58 N·m。健康組屈曲15°和50°，在股骨髁中心點(diǎn)施加156 %BW、66 N·m和112 %BW、30.6 N·m 的載荷［16-18］。

2 結(jié)果

2.1 上樓梯屈曲50°的結(jié)果分析

膝關(guān)節(jié)直立位無損模型中脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板和股骨軟骨計(jì)算結(jié)果見圖2。其中脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨的最大接觸應(yīng)力值為2.57、2.96、2.55、2.40 MPa， 模 擬 結(jié) 果 與 Li等［19］、Bendjaballah 等［12］、Meghan 等［20］、Pena 等［21］采用有限元分析獲得的最大接觸應(yīng)力相符，與Seitz等［22］實(shí)驗(yàn)測得的脛骨軟骨數(shù)據(jù)相符，驗(yàn)證了模型的有效性。

圖2 0°無損模型驗(yàn)證Fig. 2 0° non-destructive model verification

上樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲50°時(shí)淺刺治療前后和健康組中半月板、脛骨和股骨軟骨的最大應(yīng)力值對(duì)比見圖3。淺刺治療前內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的最大應(yīng)力值分別為4.691 MPa、7.076 MPa、2.43 MPa、1.458 MPa、2.215 MPa，淺刺治療后分別下降了9.27 %、7.31 %、7.04 %、8.71 %、8.26 %，軟骨和半月板的應(yīng)力峰值均有明顯下降，其中半月板的最大應(yīng)力值下降最為明顯。

圖3 膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板應(yīng)力峰值對(duì)比圖Fig. 3 Peak stress of knee cartilage and meniscus

膝關(guān)節(jié)淺刺治療前、后和健康情況下軟骨與半月板的應(yīng)力分布見圖4，每組從左到右依次是健康組、淺刺前、淺刺后。淺刺治療前后內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力峰值分別由4.691 MPa、7.076 MPa下降為4.256 MPa、 6.559 MPa，且應(yīng)力分布均勻平緩。KOA患者內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力分布范圍比正常組顯著增加，且應(yīng)力集中較為明顯，半月板的應(yīng)力集中主要位于體部內(nèi)側(cè)并向前后角延伸。對(duì)比淺刺前后與健康組，淺刺治療能減小半月板應(yīng)力集中分布范圍使其向半月板內(nèi)側(cè)邊緣處縮小，降低應(yīng)力峰值，從而減輕半月板體部的過度磨損達(dá)到治療效果。淺刺治療后股骨軟骨最大應(yīng)力值為2.43 MPa，較治療前減小0.171 MPa，淺刺前股骨軟骨與半月板、脛骨軟骨接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，且外側(cè)更為明顯，治療后范圍均有所縮小。內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨應(yīng)力峰值較治療前減少0.127 MPa、0.183 MPa，由1.458 MPa、2.215 MPa降至1.331 MPa、2.032 MPa。與健康組相比，患病使得脛骨軟骨應(yīng)力集中范圍由中部外側(cè)向中間及后緣擴(kuò)大，淺刺治療后脛骨軟骨應(yīng)力集中分布區(qū)域面積明顯減少。關(guān)節(jié)軟骨具有降低骨骼相對(duì)摩擦以及均衡壓力減輕沖擊等作用，應(yīng)力集中范圍減小有利于力更均勻的傳遞。

圖4 上樓梯屈曲50°膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板三種狀態(tài)下應(yīng)力分布云圖Fig. 4 Stress distribution of articular cartilage and meniscus in three states at ascend stairs flexion 50°

2.2 下樓梯屈曲15°的結(jié)果分析

下樓梯膝關(guān)節(jié)屈曲15°時(shí)淺刺治療前后和健康組中關(guān)節(jié)軟骨和半月板的最大應(yīng)力值對(duì)比見圖5。淺刺治療前內(nèi)外側(cè)半月板、股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨最大應(yīng)力值為6.538 MPa、6.295 MPa、3.543 MPa、2.394 MPa，較治療后降幅為8.43%、10.74%、10.24%、8.94%和11.4%。淺刺治療可以降低軟骨、半月板最大應(yīng)力值。

圖5 膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板最大應(yīng)力對(duì)比圖Fig. 5 Peak stress of knee cartilage and meniscus

膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板在淺刺治療前后和健康組中應(yīng)力分布情況見圖6。淺刺治療前半月板應(yīng)力集中分布區(qū)域?yàn)閮?nèi)側(cè)半月板體部和外側(cè)半月板的體部與前角，應(yīng)力峰值較治療后增大0.551、0.676 MPa，較正常情況分別增加1.264、3.374 MPa。但淺刺治療使應(yīng)力集中區(qū)域較治療前向半月板內(nèi)部邊緣進(jìn)一步縮小，體部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減輕。股骨軟骨應(yīng)力主要集中分布在與半月板、脛骨軟骨相接觸的位置，淺刺治療后最大應(yīng)力下降了0.363 MPa。KOA患者脛骨軟骨的中部及后緣位置應(yīng)力集中明顯，尤其外側(cè)脛骨軟骨的后緣部位高壓明顯。淺刺治療前，內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的最大應(yīng)力值較治療后分別增大0.204、0.273 MPa，淺刺治療后最大應(yīng)力集中區(qū)域范圍減小，應(yīng)力分布向正常膝關(guān)節(jié)分布情況靠近，可以更好地分散和吸收應(yīng)力，淺刺從內(nèi)部生物力學(xué)特性上分析，對(duì)于治療KOA具有一定的療效。

圖6 上樓梯屈曲50°膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板3種狀態(tài)下應(yīng)力分布云圖Fig. 6 Stress distribution of articular cartilage and meniscus in three states atascend stairs flexion 50°.

3 討論

基于KOA患者膝關(guān)節(jié)CT和MRI圖像數(shù)據(jù)，建立上下樓梯運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)屈膝50°和15°的三維有限元模型，分析淺刺治療前、后和健康組膝關(guān)節(jié)股骨軟骨、脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板的應(yīng)力分布。結(jié)果顯示，KOA患者半月板體部和前角、關(guān)節(jié)軟骨與半月板接觸部位存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且較健康組高出30%。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)承受負(fù)重不均衡，導(dǎo)致出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，與張禮平等［23］研究結(jié)果相似，膝關(guān)節(jié)力學(xué)結(jié)構(gòu)失衡時(shí)，關(guān)節(jié)面應(yīng)力將會(huì)重新分布出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。對(duì)比淺刺前后和健康組的半月板和關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力集中的區(qū)域、應(yīng)力峰值所處的部位可以看出，應(yīng)力均是在同一位置，僅應(yīng)力集中面積以及峰值大小有所差異。淺刺治療后軟骨、半月板的應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小，應(yīng)力峰值均有所下降，與林木南等［8］采用針刀治療KOA、鐘錦然［7］使用電針治療KOA的研究結(jié)論相似，淺刺治療有助于恢復(fù)半月板、關(guān)節(jié)軟骨的功能。隨著有限元方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)求解能力的增強(qiáng)，在后續(xù)的研究中可以完善模型建立，同時(shí)施加肌肉力，從而獲得更加全面的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，更好地為淺刺治療療效的驗(yàn)證提供理論依據(jù)。