全膝动态有限元仿真平台构建及基于ACL损伤的验证研究

膝关节是人体最大、最复杂的关节,运动中极易损伤,随着交通事故的日益增多和群众体育运动的普及,膝关节损伤发病率逐年增高。因此，弄清楚膝关节的生物力学性质和行为,有助于更好的理解膝关节各类损伤的发生、发展、转归及关节退行性改变的病理学基础。目前传统的膝关节生物力学测试研究既不能真实地反映膝关节运动过程中各结构的受力情况，更无法研究膝关节各组织结构损伤发生的生物力学机制。本研究拟采用高精度MRI扫描技术及逆向工程方法构建全膝关节动态三维有限元模型，并以其核心韧带-前交叉韧带为例，应用定量生物力学测试及临床流行病学研究方法进行仿真实验平台的合理验证。本课题所构建的仿真实验平台将广泛应用于膝关节内各软、硬组织损伤及其转归的生物力学机制探讨；所形成的研究手段将成为韧带外科研究的新方法；此研究结果还可后续应用于膝关节术式研究、假体置换探讨及康复治疗等研究中，具有广泛应用前景。

背景：膝关节是人体最复杂的关节，在运动中易被损伤。了解膝关节的生物力学性质和行为，有助于更好的理解膝关节各类损伤的发生、发展、转归及关节退行性改变的病理学基础。目前传统的膝关节生物力学测试研究不能真实地反映运动过程中膝关节内各结构的受力情况，无法研究膝关节各组织结构损伤发生的生物力学机制。目的：构建膝关节有限元仿真实验平台，并以前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤为切入点，对其有效性进行验证。方法：我们应用双平面X光技术测量出ACL断裂膝和正常膝中胫股关节6个自由度的运动轨迹，以获得ACL断裂后胫股关节轨迹异常的数据。采用高精度MRI扫描技术及逆向工程方法构建正常膝关节的有限元模型，并以ACL断裂后轨迹异常数据为边界条件，分析ACL断裂膝和正常膝关节内部结构的应力变化。再应用膝关节标本进行体外实验，在相同条件下检验有限元仿真分析的结果，并遴选大样本量ACL损伤临床病例进行观察，分析ACL断裂后膝关节继发损伤的常见部位，从临床角度验证有限元仿真分析结果。结果：当ACL断裂后，外侧髁在伸直位和15°屈曲时向后松动，伴随有股骨后移和外旋增加。ACL断裂引起的股骨外旋增加量被作为边界条件应用到有限元模型中，通过分析，ACL断裂造成内侧间室的应力增幅大于外侧间室；内侧半月板前角和后角上的应力分别在伸直位和屈曲位时增加明显；内侧股骨软骨的应力增幅随着屈曲的增加而逐渐升高。体外实验与有限元分析在半月板应变方面进行对照，结果显示胫股关节有限元模型所获得的数据与体外实验数据基本具有一致性。ACL损伤的临床病例观察显示，最常见的继发损伤部分是内侧半月板后角和内侧股骨软骨，与有限元分析结果符合。结论：通过生物力学体外实验定量测试及临床流行病学定性观察两方面的验证，表明所构建的膝关节有限元仿真实验平台有效可行。临床意义：该平台将应用于关节内骨软骨损伤，半月板损伤和韧带损伤的生物力学机制探讨，还将应用于膝关节假体置换探讨及康复治疗等研究中，具有广泛应用前景。完成情况：完成计划书中的内容。成果：发表2篇SCI论著，1篇CSCD论著；申请7项专利，其中5项为国家发明专利，2项为实用新型专利，已授权4项；培养博士后1名，博士研究生2名。