一、背景和目的前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)是膝关节内的重要结构,既限制膝关节的活动范围又制导膝规律运动。ACL结构和功能复杂,新近研究表明,ACL是由很多不等长的纤维束交织而成,在膝关节屈伸过程中各纤维束的应力呈动态连续变化,从而精准地完成其制导功能,并且在屈伸膝过程中各纤维束应力不同。越来越多的学者开始认为ACL是由多个功能束构成。目前,有学者对ACL进行了双束、扭转双束、三束重建,结果上述重建方法均不能完全重现ACL功能,也证实了ACL不是由简单的功能束构成。因此应我们提出ACL“多功能束”的理念并对ACL四分束的生物力学特性进行测试。为证实ACL的多功能束构成,进行生物力学测试是其手段之一,要研究ACL多功能束力学特点,必须建立一套膝关节多自由度动态应力测试测试系统。目前用于人体膝关节标本的生物力学测试系统主要有Oxford knee test systerm和6-DOF Roboticmanipulator等,上述设备能够模拟并加载膝关节的多自由度状态,并进行膝关节生物力学测试。但都不能对ACL进行多分束力学测试。因此,针对ACL多分束的生物力学测试还需要制作专用的生物力学测试系统。因此,本研究基于“ACL多功能束”的理念,拟研制包括专用的夹具,力学测试部分,数据测试、采集、调理部分,系统控制与数据整理四部分的“膝关节多自由度动态应力测试系统”。从而建立膝关节相关生物力学研究技术平台,在加载膝关节屈、伸、内翻、外翻等运动状态(自由度)下,测量和对比ACL四分束间生物力学特性,初步验证ACL的多功能束构成特点。二、实验方法1、膝关节自由度动态应力加载系统的研制和验证(1)设计制造的专用夹具:根据胫骨和股骨解剖特点,股骨侧采用筒形夹具固定,胫骨侧设计为多角度夹具。(2)设计制造测试、采集和控制装置:根据试验要求分别设计传感器模块、数据采集器、信号放大和转换模块及使用Visual C++语言进行编写系统配套的动态采集采集软件。(3)系统完成后,通过对系统摩擦、系统松弛等方面的检测验证国人膝关节自由度动态应力加载系统的有效性。2.膝关节多自由度下ACL动态应力测试以矢状和冠状轴线将ACL胫骨侧止点分为后内(1区)、后外(2区)、前外(3区)、前内(4区)四区,各区对应的韧带纤维相应分为4束,分别连接该系统的各传感器后以测量:(1)膝关节屈伸过程中ACL各分束受力;(2)使用内外翻加载器加载最大内外翻角度下测量ACL各分束受力;(3)使用内外旋加载器加载最大内外旋角度下测量ACL各分束受力;(4)设定拉力分别为50N、80N、100N、120N、150N,模拟前抽屉实验时ACL各分束受力变化。三、结果1.膝关节多自由度动态应力测试系统(1)可定量加载和模拟膝关节多自由度状态;(2)量程0.01～100N(3)采集精度优于0.02%(满量程);(4)采集分辨率达16bit;5)通道数≥5通道;(6)(可完成多通道(≥5)同步采集:(7)动态数据采集频率达2000Hz;(8)自行编程的配套软件运行稳定;(9)系统松弛评价,在10N外力作用下,未装载粘弹性软组织材料的系统在0-20秒内没有发生明显的应力松弛;(10)系统摩擦评价,四个传感器位置在最大和最小工作角度的系统摩擦系数在0.023-0.054,其中4通道最大摩擦系数为0.054。2.ACL四分束动态受力测试结果(1)系膝关节屈伸过程中,2区纤维束在屈膝30°时受力最大(22.52±8.60N);4区纤维束在屈曲90°时受力最大(14.68±5.29N):3区纤维束在屈伸位时张力变化较前二者小。1区纤维束张力变化不大;(2)膝关节内外旋过程中,外旋时2区纤维束受力最大(16.97±1.45N,屈膝30°)。内旋时4区纤维束受力变化最大(11.67±2.25N,屈膝90°)。1区和3区纤维束在膝关节内外旋转时受力变化小;(3)膝关节内外翻过程中,外翻时,4区纤维束受力最大(3.23±1.45N,屈膝90°),内翻时外侧束(2,3区)受力均比内侧束(1,4区)大,并以前外侧束(3区)受力最大(2.93±3.33 N,屈膝30°):(4)在做前抽屉实验时,各分束纤维受力随膝关节屈曲角度的增大而增大。在拉力为150N时,受力达最大纤维束出现在4区(19.7±2.78N屈膝90°)。四、结论1.依据“ACL多功能束”理念研制了的膝关节多自由度动态应力测试系统,达到设计目的,满足了试验要求;2.初步应用于ACL4分束的测试;3.初步验证了ACL是由多个功能束组成的特点。