一、研究背景与目的髌股关节软骨损伤发病率高,是关节外科、运动医学常见且防治棘手的一类疾病,最终将导致髌股关节骨关节炎等严重后果。直立行走的特点赋予人类髌股关节复杂的生物力学环境、造就了其人类独特的解剖形态。具备良好生物力学效能的髌股关节就如同一个家庭,其和谐美满不仅取决于单个家庭成员,且需要相互之间理解配合,更要与复杂的外部环境相适应。在髌股关节中,髌骨与股骨滑车的解剖形态是发挥其生物力学效能的结构基础,良好的髌骨与股骨滑车的匹配关系是发挥其生物力学效能的重要保障;当髌骨或股骨滑车的解剖形态异常时,易引起髌股关节排列异常等病理性适配状态,使其无法适应周围复杂的生物力学环境,将会使髌股关节面的应力分布异常,并最终导致髌股关节软骨损伤等严重后果。但是,目前对于髌股关节解剖形态的研究,不仅仍局限于仅针对髌骨或股骨滑车各自单独的形态特征进行观察,而且未能从生物力学效能的角度对该关节的解剖形态进行研究,因此前人建立的单独针对髌骨或股骨滑车的分型方法不能有效判别该关节的力学效能优劣及预测该关节的损伤,缺乏针对髌股关节生物力学效能的整体解剖分型已成为对该关节进行深入研究的瓶颈。二、研究内容与方法本研究拟采用以下方法初步拟定髌股关节整体解剖分型方案:1.初步拟定髌股关节整体解剖分型方案的临床解剖学研究通过将髌股关节软骨损伤与未损伤患者进行病例对照研究,探寻与髌股关节软骨损伤相关的解剖形态参数,以间接筛选出与髌股关节力学效能相关的解剖形态参数。然后以筛选出的解剖学参数为基础,通过观察髌股关节MRI图像,初步拟定髌股关节整体解剖分型方案。2.髌股关节整体解剖类型三维有限元应力分布对比研究采用基于活体MRI数据构建髌股关节整体解剖类型的骨软骨三维有限元模型,通过有限元数学模型对比分析此各髌股关节整体解剖类型在屈膝30°时髌股关节面间的应力分布,以对髌股关节整体解剖分型方案进行初步验证。三、研究结果1.病例对照研究结果显示,共有16项髌股关节解剖形态参数与软骨损伤显著相关(P for trend<0.05)分别为:①评价髌骨解剖形态的参数,髌骨面角、髌骨外侧面宽度、髌骨外侧面比例;②评价股骨滑车解剖形态的参数,滑车沟角、滑车沟宽度、滑车沟深度、滑车沟外侧面宽度、滑车沟外侧面比例、滑车沟相对深度;③评价髌股关节适配性的参数,髌骨外移度、髌骨髁上轴角、外侧髌股角、髌骨倾斜角、髌股适合角、宽吻合度、深吻合度。2.通过观察髌股关节MRI图像,选取“滑车沟外侧面比例、滑车沟相对深度”为核心参数;依据“滑车沟外侧面比例”三分位数从小至大的变化区间,将髌股关节解剖形态分为I、II、III三型;各型再根据“滑车沟相对深度”的分布范围,依据其三分位数从小至大各分为三个亚型,分别命名Ia、Ib、Ic,IIa、IIb、IIc,IIIa、IIIb、IIIc。3.本研究基于活体髌股关节矢状位二维FLASH序列MRI图像,通过手工提取髌股关节骨、软骨轮廓,并利用AutoCAD软件对其进行精确的修整与装配,成功构建了髌股关节整体解剖分型II型、III型髌股关节骨、软骨三维实体模型。4.有限元应力分布研究结果显示:II型髌股关节整体解剖类型在屈膝30°状态下,股四头肌肌力200N,接触面最小应力0.138MPa,峰值应力2.364MPa,平均应力1.018MPa;髌骨侧峰值应力1.639MPa,平均应力1.108MPa;股骨侧峰值应力1.652MPa,平均应力1.021MPa;应力较均匀分布于髌股关节接触面的内侧、中央、外侧面的广泛区域;III型髌股关节整体解剖类型在屈膝30°状态下,股四头肌肌力200N,接触面接触面最小应力0.209MPa,峰值应力2.509MPa,平均应力1.347MPa;髌骨侧峰值应力1.884MPa,平均应力1.270MPa;股骨侧峰值应力1.359MPa,平均应力1.104MPa;应力分布不均匀,主要集中于外侧髌股关节面。四、研究结论1.髌股关节的解剖形态复杂多样,本研究通过髌股关节解剖形态与其软骨损伤的相关性研究,间接筛选出影响髌股关节力学效能的解剖形态参数。2.从影响髌股关节力学效能的解剖形态参数中筛选出“滑车沟外侧面比例、滑车沟相对深度”为核心参数,根据此二参数初步拟定了髌股关节整体解剖分型方案,本方案有助于对髌股关节力学效能进行无创、准确的个体化评价。3.基于MRI数据可精确构建各种髌股关节解剖类型的髌股关节三维实体模型,且该模型可应用于髌股关节的三维有限元应力分布分析。4.有限元分析结果表明,髌股关节的解剖形态发育不良时,容易导致髌股关节病理性的适配状态,髌股关节面应力分布的随之改变将影响其关节软骨代谢,最终将导致其软骨损伤及骨性关节炎等严重后果。