有限元建模和分析在膝骨關(guān)節(jié)炎退變中的研究進(jìn)展

解敏坤， 李曈曈， 魏學(xué)磊

(1.天津市天津醫(yī)院(天津大學(xué)天津醫(yī)院)預(yù)防科， 天津 300211；2.天津市天津醫(yī)院(天津大學(xué)天津醫(yī)院)骨科上肢一科， 天津 300211)

0 引言

FE分析是使用計(jì)算、模型和模擬來(lái)預(yù)測(cè)和理解物體在各種物理?xiàng)l件下的行為方式。膝關(guān)節(jié)FE模型能夠根據(jù)組織所經(jīng)歷的機(jī)械信號(hào)對(duì)膝關(guān)節(jié)OA發(fā)生和發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量估計(jì)，它們還可以用于評(píng)估不同康復(fù)策略和手術(shù)的可行性效果。自從FE分析應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究，膝關(guān)節(jié)FE建模方法始終在發(fā)展和更新，本文對(duì)利用FE模型研究膝關(guān)節(jié)OA退變的進(jìn)展，不同解剖結(jié)構(gòu)建模方法的過(guò)程和挑戰(zhàn)以及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行綜述，以期更好地指導(dǎo)FE分析在膝關(guān)節(jié)OA研究中的應(yīng)用。

1 關(guān)節(jié)軟骨FE模型的構(gòu)建研究

關(guān)節(jié)軟骨為覆蓋在膝關(guān)節(jié)(脛骨、股骨及髕骨)表面的結(jié)締組織，其主要功能是為關(guān)節(jié)提供一個(gè)潤(rùn)滑和無(wú)摩擦的表面，同時(shí)關(guān)節(jié)表面接觸時(shí)緩沖分配機(jī)械載荷。正常人體關(guān)節(jié)面由透明軟骨組成，人體厚度為2～4 mm[1]，關(guān)節(jié)軟骨中沒(méi)有血管、淋巴管和神經(jīng)，軟骨細(xì)胞再生能力極差，因此關(guān)節(jié)軟骨損傷或者退變后，難以自我愈合和修復(fù)。關(guān)節(jié)軟骨的主要成分是水，占其濕重的 80%。軟骨細(xì)胞稀疏分布于細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)中，一般ECM被認(rèn)為是一種雙相材料，ECM主要成分是膠原蛋白(主要為Ⅱ型膠原)與蛋白多糖(Proteoglycans，PG)，膠原原纖維和蛋白多糖聚集體纏繞在形成膠原纖維。OA的退變及進(jìn)展在關(guān)節(jié)軟骨主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：一是關(guān)節(jié)軟骨的含水量和透水性增加，從而降低軟骨剛度[1]；二是PG丟失，不僅降低基質(zhì)剛度，還會(huì)增加組織滲透性[2]；三是膠原蛋白結(jié)構(gòu)損傷破壞，導(dǎo)致軟骨拉伸剛度降低和腫脹加劇[3]；四是軟骨細(xì)胞分解代謝增加和合成代謝減少，引發(fā)ECM降解和炎癥反應(yīng)[4-5]。

關(guān)節(jié)軟骨為膝關(guān)節(jié)主要的承重結(jié)構(gòu)之一，當(dāng)軟骨承受過(guò)大的機(jī)械負(fù)荷時(shí)可能會(huì)發(fā)生損傷，這種損傷很可能發(fā)展為OA。在關(guān)節(jié)軟骨損傷和OA研究中，F(xiàn)E建?？梢詭椭治鲫P(guān)節(jié)負(fù)荷分布、軟骨應(yīng)力分布和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素的影響，對(duì)OA機(jī)制提供理論依據(jù)和臨床治療指導(dǎo)。接下來(lái)將討論關(guān)節(jié)軟骨不同成分退化的有限元模型。

1.1 軟骨細(xì)胞FE模型

軟骨細(xì)胞是高度特化的細(xì)胞，代謝活躍，它們?cè)?細(xì)胞外基質(zhì)的發(fā)育、維護(hù)和修復(fù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，軟骨細(xì)胞退變伴隨OA整個(gè)病程過(guò)程。Kosonen等[6]開(kāi)發(fā)了二維力學(xué)生物學(xué)FE模型來(lái)預(yù)測(cè)軟骨細(xì)胞壞死和活性氧過(guò)量產(chǎn)生后的細(xì)胞凋亡，以及軟骨外植體中炎癥細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞凋亡。該模型考慮了軟骨物理?yè)p傷、損傷和負(fù)荷相關(guān)的細(xì)胞死亡、活性氧過(guò)量產(chǎn)生和促炎細(xì)胞因子的擴(kuò)散及其對(duì)軟骨 PG 含量的影響。模型模擬數(shù)據(jù)和生物數(shù)據(jù)的比較表明，該模型可以預(yù)測(cè)及分析導(dǎo)致軟骨退化的相關(guān)潛在機(jī)制，但該模型有一定的局限性，因?yàn)檐浌峭俗兊纳锪W(xué)負(fù)荷和炎癥包括許多復(fù)雜的細(xì)胞水平機(jī)制，F(xiàn)E模型不可能包括誘導(dǎo)軟骨退化的所有機(jī)制。例如，其他促炎細(xì)胞因子(如TNF-α和Fas)也調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡[7]，隨著軟骨細(xì)胞退變分子生物學(xué)機(jī)制研究的深入，我們?cè)谝院蟮慕Ｖ行枰紤]更多的因素對(duì)軟骨細(xì)胞退變的影響。

1.2 PG變性FE模型

PG的損失是早期OA的跡象之一，PG是軟骨中的固定電荷載體，PG變性后降低軟骨的壓縮特性和固定電荷密度(fixed charge density，F(xiàn)CD)，從而降低軟骨滲透壓。Orozco等[1]分別使用流體速度、最大剪切應(yīng)變和偏應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的退化算法建立動(dòng)態(tài)載荷下的軟骨損傷二維FE模型，模擬由于PG退化引起的FCD損失，研究發(fā)現(xiàn)流體速度驅(qū)動(dòng)算法在預(yù)測(cè)FCD損失方面最有效。但該研究的缺點(diǎn)是FE模型僅包含由于 PG 損失而導(dǎo)致的FCD 損失，沒(méi)有考慮由于 PG 損失導(dǎo)致的軟骨基質(zhì)軟化。另一項(xiàng)研究中，Eskelinen等[8]開(kāi)發(fā)了一種新的算法建立三維有限元模型，他們根據(jù)組織中的局部應(yīng)變或應(yīng)力測(cè)試了FCD損失的幾種機(jī)制，通過(guò)選擇建議用于誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡和軟骨基質(zhì)損傷的退化閾值，由最大剪切應(yīng)變驅(qū)動(dòng)算法顯示病變周?chē)腇CD損失最大。需要指出的是，這兩個(gè)模型都是建立在局部損傷理論基礎(chǔ)上，損傷僅由該結(jié)合點(diǎn)的應(yīng)力或應(yīng)變決定，這種局部損傷理論可能導(dǎo)致?lián)p傷局部化，從而導(dǎo)致?lián)p傷評(píng)估的不準(zhǔn)確。

1.3 膠原纖維變性FE模型

OA的起始階段可以觀(guān)察到膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的原纖維化增加。因此，模擬重復(fù)機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致的關(guān)節(jié)軟骨中膠原纖維的降解是軟骨退化研究的重要一步。膠原纖維變性建模研究中，Mononen等[9]將膠原蛋白退化算法在人體膝關(guān)節(jié)模型中實(shí)施，退化算法基于生理步態(tài)負(fù)荷期間膝關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)過(guò)度和累積的應(yīng)力，在該算法中，如果觀(guān)察到過(guò)大的最大主應(yīng)力，則軟骨的膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)剛度會(huì)迭代降低，研究所提出的算法揭示了客觀(guān)模擬膝OA進(jìn)展的巨大潛力。在另一項(xiàng)后續(xù)研究中，相同的軟骨退化算法用于代表不同程度OA患者特定FE模型，該算法能夠與實(shí)驗(yàn)隨訪(fǎng)數(shù)據(jù)相類(lèi)似的預(yù)測(cè)OA進(jìn)展，與健康受試者相比，OA軟骨內(nèi)的最大退化和退化體積更高(P< 0.05)[10]。

1.4 整合膠原纖維和PG變性FE模型

在 OA 的起始和進(jìn)展期，以膠原原纖維變形和蛋白聚糖消耗為特征，所以需要整合這些機(jī)制，開(kāi)發(fā)穩(wěn)健的OA退化FE模型。Hosseini[3]提出了一種數(shù)值模型，可以預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)在過(guò)度機(jī)械負(fù)載下，軟骨隨時(shí)間進(jìn)展所發(fā)生的損傷，模型假定基質(zhì)中超過(guò)特定閾值的偏應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)軟化，假設(shè)沿纖維方向上的應(yīng)變超過(guò)特定閾值將導(dǎo)致纖維軟化。研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)軟化和膠原損傷對(duì)軟骨機(jī)械病理學(xué)有不同的影響，其中任一者的損傷可能相互促進(jìn)。在另一項(xiàng)類(lèi)似研究中，Mononen等[11]通過(guò)考慮OA所發(fā)生的主要組織變化(PG含量、流體流動(dòng)和膠原纖維結(jié)構(gòu))，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)創(chuàng)建了四個(gè)膝關(guān)節(jié)FE模型，對(duì)模型進(jìn)行膝關(guān)節(jié)生理負(fù)荷條件下的正常和異常測(cè)試，與早期體外實(shí)驗(yàn)一致，該模型模擬了淺層和中部區(qū)域PG最大消耗，膠原纖維變性主要位于淺層區(qū)域，該算法可用于預(yù)測(cè)膝OA發(fā)展過(guò)程中同時(shí)發(fā)生的膠原變性和PG損失。Men等[12]提出了一種新的微缺陷平面應(yīng)變數(shù)值模型，模擬隨時(shí)間進(jìn)展的軟骨損傷演化過(guò)程，研究了載荷方式和載荷速度等參數(shù)與軟骨的損壞程度，模型設(shè)計(jì)由軟骨層次結(jié)構(gòu)和深度相關(guān)的弓形纖維組成。數(shù)值結(jié)果表明，不僅軟骨損傷改變了應(yīng)力分布，而且基質(zhì)和纖維對(duì)軟骨損傷的影響也不同，且基質(zhì)和纖維損傷可以相互促進(jìn)。

2 軟骨下骨FE模型的構(gòu)建研究

軟骨下骨是關(guān)節(jié)中軟骨正下方的骨層，它包括軟骨下皮質(zhì)骨、軟骨下小梁骨和骨骺小梁骨。軟骨下骨在關(guān)節(jié)中起著重要作用，它有助于保護(hù)軟骨免受損傷，還有助于在關(guān)節(jié)表面分配壓力負(fù)荷，軟骨下骨在OA下也會(huì)受損，從而導(dǎo)致疼痛和炎癥。Amini等[13]使用10具新鮮冷凍尸體標(biāo)本的定量CT圖像和原位宏觀(guān)壓痕測(cè)試開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了脛骨近端的參數(shù)化FE模型，評(píng)估了OA相關(guān)變化在軟骨下皮質(zhì)厚度和彈性模量以及軟骨下小梁和骨骺小梁彈性模量對(duì)局部表面剛度方面的單獨(dú)和組合作用，但此模型忽略了材料特性的樣本內(nèi)空間分布以及受試者之間的細(xì)微幾何差異。Nazemi等[14]開(kāi)發(fā)了軟骨下骨的QCT-FE模型，分析軟骨下表面局部結(jié)構(gòu)剛度非侵入性和特定對(duì)象的變化，此模型中，QCT提供有關(guān)成像骨骼的幾何形狀和密度信息，而FE計(jì)算軟骨下表面結(jié)構(gòu)剛度所涉及的所有因素的整體作用。

3 軟骨退變和軟骨下骨重塑的耦合FE模型

對(duì)于OA，關(guān)節(jié)軟骨和骨都會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)、生物和機(jī)械變化，人們嘗試開(kāi)發(fā)完整骨軟骨單元的高保真計(jì)算模型，以研究OA引起的退變。Stender等[15]利用退化關(guān)節(jié)軟骨、鈣化軟骨區(qū)以及軟骨下皮質(zhì)骨和軟骨下小梁骨重塑區(qū)域的深度相關(guān)各向異性模型開(kāi)發(fā)了球形壓痕FE模型。結(jié)果表明，隨著壓痕加載，在關(guān)節(jié)面發(fā)生關(guān)節(jié)軟骨損傷，此外，還預(yù)測(cè)骨重塑會(huì)隨著軟骨下骨板的最終硬化而發(fā)生。在另一項(xiàng)研究中，Stender等[16]使用具有應(yīng)變相關(guān)滲透率的關(guān)節(jié)軟骨深度相關(guān)各向異性模型和鈣化組織的多孔彈性模型(鈣化軟骨、軟骨下皮質(zhì)骨和軟骨下小梁骨)開(kāi)發(fā)了兩個(gè)多孔彈性FE模型。結(jié)果表明，關(guān)節(jié)軟骨的滲透性是骨軟骨單元孔隙力學(xué)主要相關(guān)決定因素，而鈣化組織的滲透性對(duì)骨軟骨單元的力壓痕響應(yīng)沒(méi)有明顯影響。Sajjadinia等[17]提出了一種新的骨軟骨單元FE模型，該模型結(jié)合了幾種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、非線(xiàn)性的、深度依賴(lài)的、纖維增強(qiáng)和膨脹模型，它可以通過(guò)壓痕和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)來(lái)計(jì)算模擬OA退化過(guò)程中主要參數(shù)的變化。結(jié)果證實(shí)在OA期間，軟骨下骨組織可通過(guò)降低液體滲透和壓力對(duì)骨軟骨組織液體分布起到重要作用，結(jié)論支持軟骨下骨在OA發(fā)病機(jī)制中可能發(fā)揮作用的觀(guān)點(diǎn)。

4 半月板FE肌肉骨骼模型

半月板撕裂是半月板的最常見(jiàn)損傷，半月板撕裂會(huì)顯著影響半月板的功能。例如，減震和載荷傳遞，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)異常和載荷重新分布，大部分半月板的徑向撕裂被認(rèn)為是無(wú)法修復(fù)的，因?yàn)樗鼈兇蠖喟l(fā)生在缺乏血液供應(yīng)的白色區(qū)域。因此，半月板切除術(shù)通常用于緩解膝蓋的疼痛和不穩(wěn)定。然而，半月板切除術(shù)會(huì)增加膝關(guān)節(jié) OA 進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要研究半月板徑向撕裂和由此產(chǎn)生的半月板切除術(shù)對(duì)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響。Wang等[18]研究引入了一個(gè)FE肌肉骨骼模型，該模型在單一框架中同時(shí)使用下肢肌肉骨骼動(dòng)力學(xué)和膝關(guān)節(jié)FE分析，并將模型擴(kuò)展到包括內(nèi)側(cè)半月板徑向撕裂和全內(nèi)側(cè)半月板切除術(shù)的膝關(guān)節(jié)。研究表明，內(nèi)側(cè)半月板寬度較大的徑向撕裂有導(dǎo)致半月板完全破裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，撕裂破壞半月板的周向應(yīng)力傳遞功能，從而大大增加膝關(guān)節(jié)OA發(fā)作的可能性，全半月板切除術(shù)后脛骨軟骨負(fù)荷顯著增加，OA 發(fā)作潛在風(fēng)險(xiǎn)高。Li等[19]結(jié)合磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像獲得全膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字模型，創(chuàng)建四種類(lèi)型的內(nèi)側(cè)半月板撕裂來(lái)代表加重的退行性半月板病變，對(duì)每種半月板撕裂還模擬了半月板切除術(shù)，評(píng)估骨組織、軟骨和半月板的壓縮和剪切應(yīng)力，并研究平衡站立姿勢(shì)下健康膝關(guān)節(jié)、受傷膝關(guān)節(jié)和半月板切除術(shù)后膝關(guān)節(jié)的半月板擠壓情況。研究發(fā)現(xiàn)，隨著半月板損傷的加重，生物力學(xué)的變化更加明顯，膝OA進(jìn)展加速，半月板切除術(shù)雖然在一段時(shí)間內(nèi)可以緩解膝關(guān)節(jié)疼痛，但會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化，增加OA發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。張震等[20]基于MRI和CT影像數(shù)據(jù)構(gòu)建具有骨性結(jié)構(gòu)和非骨性結(jié)構(gòu)的輕度OA膝關(guān)節(jié)有限元解剖模型，有限元分析結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)半月板半脫位和關(guān)節(jié)軟骨退變的特征促進(jìn)了膝OA的進(jìn)一步發(fā)展。

5 前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)重建FE模型

ACL是膝關(guān)節(jié)最重要的穩(wěn)定組織之一，其斷裂現(xiàn)象非常普遍，移植物 ACL 重建是一種效果最佳的手術(shù)。ACL損傷會(huì)增加創(chuàng)傷后膝OA的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要研究ACL 重建后對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響。Bolcos等[21]創(chuàng)建了2名ACL重建患者的特異性膝關(guān)節(jié)FE模型，膝關(guān)節(jié)幾何形狀建立基于臨床磁共振成像，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉獲得關(guān)節(jié)載荷，研究評(píng)估了與軟骨退化相關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)，并將確定的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與T2和T1ρ圖進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)FE模型識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與后續(xù)磁共振成像結(jié)果相匹配。在另一項(xiàng)后續(xù)研究中，Bolcos等[22]為7名ACL重建患者和6名對(duì)照患者創(chuàng)建了特定于受試者的FE模型，根據(jù)軟骨中的最大主應(yīng)力和絕對(duì)最大剪切應(yīng)變分別超過(guò)7 MPa和32%的閾值，確定容易受到OA影響的位置和軟骨體積。結(jié)果表明，該建模方法可用于前瞻性識(shí)別具有OA 風(fēng)險(xiǎn)的ACL重建患者，特別是可以通過(guò)分析軟骨最大主應(yīng)力來(lái)識(shí)別。

6 結(jié)論和展望

隨著人口老齡化，OA患病率逐年增加，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，65歲以上老年人中OA發(fā)病率為60%～70%，而75歲以上人群高達(dá)85%左右，對(duì)導(dǎo)致OA疾病發(fā)生、進(jìn)展和治療因素的詳細(xì)了解顯得頗為重要。過(guò)去10年，利用FE模型研究OA所涉及的復(fù)雜生物力學(xué)因素的計(jì)算工具開(kāi)發(fā)取得了重大進(jìn)展。本文對(duì)目前可用于模擬OA關(guān)節(jié)退化的計(jì)算工具FE模型進(jìn)行了綜述，目前的建模技術(shù)都存在一定局限性，未來(lái)希望能夠?qū)⒉煌慕＜夹g(shù)集成到一個(gè)開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)的更強(qiáng)大的計(jì)算框架中，該框架不僅能有效預(yù)測(cè)OA進(jìn)展，而且還允許個(gè)性化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估用于臨床實(shí)踐篩查。