一、研究背景与目的前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)是维持膝关节稳定的重要结构,同时也是最易发生损伤的韧带,随着中国经济社会的快速发展,人们生活水平的提高,交通伤和运动伤病人日益增多,ACL损伤发病率呈逐年增高趋势。ACL损伤后会导致胫骨前移不受被动机械限制和动态反射限制,造成膝关节不稳、运动轨迹改变从而关节生物力学改变、应力分布失常,继发性的发生半月板、软骨损伤,关节退行性变,严重影响患者膝关节的功能,降低运动能力。尽管目前对ACL解剖、功能以及治疗方法的研究很多,ACL损伤后的早期重建手术治疗也得到了大部分学者认同,但是目前还鲜有文献报导ACL损伤的临床自然转归,ACL损伤后发生继发性半月板、软骨损伤部位、程度及其发生、发展的一般规律;也没有学者能够确切的解释在ACL损伤后膝关节生物力学发生的量化改变。由于传统的实验生物力学研究方法有其固有缺陷如:费用高、难以模拟所有工况且不能获得全域性的力学分布信息等,而作为生物组织这种边界条件和结构形状都不规则的复杂问题,三维有限元仿真分析是对其结构进行力学分析的行之有效的方法。因此本课题拟应用大样本量ACL损伤病例,应用临床流行病学研究方法结合三维有限元仿真分析技术研究ACL功能缺失后对半月板、软骨造成的影响及其生物力学因素。二、研究方法1.遴选ACL损伤病例进行临床流行病学研究,分析ACL功能缺失情况下,膝关节半月板、软骨损伤的部位、程度及其发生、发展的一般规律。2.选取健康成人志愿者左膝关节伸直位3.0T磁共振扫描图像为源数据,应用Mimics、Geomagic及Hypermesh等软件,通过膝关节点云数据的提取,点云数据的预处理及几何重构、网格划分过程构建全膝关节三维有限元仿真分析平台。3.在Ansys软件中将已划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载载荷,进行有限元结构非线性计算,首先观察正常膝关节在载荷条件下的应力空间分布,然后观察ACL功能缺失情况下的应力空间分布,比较分析发生在半月板、软骨上的应力改变情况。三、研究结果1.366例ACL功能缺失病人中有223例病人出现半月板不同程度损伤,发病率为60.9%,其中最常见的类型为内侧半月板后角损伤,共有110例,发病率为30.1%;有75例病人合并一处或多处软骨损伤,发病率20.5%,损伤最常见的为股骨内髁,为51例(38.9%),其次为内侧胫骨平台,27例(20.6%)。2.在伤后早期TFI<6周时外侧半月板发病率最高,而内侧半月板发病率最低,提示我们推测外侧半月板的损伤可能主要是由于受伤时的直接暴力造成。随着TFI延长,外侧半月板发病率变化保持基本稳定,而内侧半月板和软骨随着TFI的延长,发病率显著增加,提示我们推测内侧半月板和软骨的损伤可能主要是由于ACL功能缺失引起膝关节不稳造成。3.按6周、3月、6月、12月、2年五个节点进行分类统计,统计学分析结果表明,在每一个节点前后,半月板及软骨损伤发病情况均具有显著统计学差异(p<0.01),这也提示我们在ACL损伤后,为避免继发性半月板和软骨损伤,应尽早进行ACL重建手术治疗,但是为了减少2-3周内重建可能存在的关节纤维化风险,我们建议最佳的重建时间应在受伤后4-6周内。4.以3.0T磁共振扫描健康志愿者膝关节伸直位图像为源数据,应用Mimics、Geomagic及Hypermesh等软件成功构建了包含股骨远端、胫腓骨近端、髌骨、髌韧带、内外侧副韧带、前后交叉韧带、半月板、软骨在内的全膝关节三维有限元模型。整个模型共有节点106293个,单元326935个。5.应用Ansys软件,通过材料属性、边界条件及载荷的引入成功的进行了正常膝关节及ACL功能缺失状态下的有限元分析计算并获得了半月板、软骨最大应力区域;应力空间分布的应力云图以及当ACL功能缺失时的应力变化趋势,有限元分析结果较好的符合了临床研究结论。四、研究结论1.通过大样本量国人ACL损伤病例进行临床流行病学统计分析,在ACL损伤后早期外侧半月板发病率最高,随着TFI延长,外侧半月板发病率变化保持基本稳定,而内侧半月板和软骨随着TFI的延长,发病率显著增加,我们推测,外侧半月板损伤可能主要是由于受伤时的直接暴力造成,内侧半月板和软骨的损伤可能主要是由于ACL功能缺失引起膝关节不稳造成的继发损伤。为避免继发性半月板和软骨损伤,应尽早进行ACL重建手术治疗,但是为了减少2-3周内重建可能存在的关节纤维化风险,我们建议最佳的重建时间应在受伤后4-6周内。2.以高质量磁共振图像为源数据,运用逆向工程技术,可以有效的建立更真实的包含软、硬组织在内的膝关节三维有限元模型,所建模型结构完整,几何相似度高。此模型可用于各种工况的有限元分析及作为今后深入研究的原始模型。3.应用三维有限元法能够良好的进行膝关节生物力学研究,通过网格的划分、材料属性、约束条件及载荷的引入,较准确的模拟了在ACL功能缺失情况下膝关节内各组织结构的应力变化趋势,获取了膝关节生物力学的有益资料。所获得的计算结果显示当ACL功能缺失后,对内侧半月板、内侧胫股关节软骨生物力学影响较外侧大,较好的证明了临床研究结论。本课题所构建的仿真实验平台可望继续应用于关节内骨、软骨损伤,半月板损伤,韧带损伤及其转归的生物力学机制探讨,具有广泛应用前景。