不同股骨止点对内侧髌股韧带重建后髌股关节应力影响的三维有限元分析

doi:10.12307/2023.351

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (22): 3463-3468.doi: 10.12307/2023.351

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

不同股骨止点对内侧髌股韧带重建后髌股关节应力影响的三维有限元分析

徐彪1，路坦1，杨骏良1，姜亚琼1，阴玉娇2

新乡医学院第一附属医院，1骨外科，新乡市骨关节退行性疾病研究重点实验室，2手术一部，河南省卫辉市 453100

收稿日期:2022-03-31 接受日期:2022-05-19 出版日期:2023-08-08 发布日期:2022-11-02
通讯作者: 路坦，副主任医师，新乡医学院第一附属医院骨外科，新乡市骨关节退行性疾病研究重点实验室，河南省卫辉市 453100
作者简介:徐彪，男，1992年生，河南省郑州市人，汉族，在读硕士，新乡市骨关节退行性疾病研究重点实验室，主要从事三维有限元在运动医学的研究。
基金资助:
河南省医学科技攻关计划(联合共建)项目(LHGJ20190450)，项目负责人：路坦

Three-dimensional finite element analysis of the stress of the patellofemoral joint after medial patellofemoral ligament reconstruction by different femoral reconstruction insertion points

Xu Biao1, Lu Tan1, Yang Junliang1, Jiang Yaqiong1, Yin Yujiao2

1Department of Orthopedics, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Diseases of Osteoarthritis, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical College, Weihui 453100, Henan Province, China; 2First Department of Surgery, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical College, Weihui 453100, Henan Province, China

Received:2022-03-31 Accepted:2022-05-19 Online:2023-08-08 Published:2022-11-02
Contact: Lu Tan, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Diseases of Osteoarthritis, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical College, Weihui 453100, Henan Province, China
About author:Xu Biao, Master candidate, Department of Orthopedics, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Diseases of Osteoarthritis, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical College, Weihui 453100, Henan Province, China
Supported by:
Medical Science and Technology Research Program of Henan Province (Joint Co-construction), No. LHGJ20190450 (to LT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

髌骨脱位：一种常见的膝关节疾病，在所有膝关节疾病中的发病率约占3%，大多数发生于青年，女性多于男性。其发病原因较多：内侧髌股韧带损伤、髌骨发育畸形、股骨滑车发育不良、多发韧带松弛等，根本是髌股关节在屈伸活动中所处的异常力学环境。
内侧髌股韧带重建：是治疗髌骨脱位的主要手术方式，其目的在于恢复髌股关节的稳定及对位关系，防止再次脱位。治疗髌骨脱位的手术方法较多，其中软组织韧带的重建尤为重要，目前绝大多数此类患者可以通过内侧髌股韧带重建的方式达到满意的治疗效果。

背景：髌股韧带重建有多种手术方式，其中股骨止点选取对手术实施影响较大，目前针对股骨止点的选取有多种方式，但无定论。
目的：通过三维有限元软件分析膝关节不同屈曲状态下内侧髌股韧带(MPFL)股骨重建止点位置改变对髌股关节应力的影响，从而选择出合理准确的股骨重建止点。
方法：获取成年人正常膝关节CT数据，导入Mimics、Geomagic及Soildworks软件进行提取模具、添加韧带，其中韧带的股骨止点选择分别为股骨内上髁与内收肌结节连线的中点、股骨内上髁、内收肌结节、股骨髁间窝顶部向内髁投射点和内收肌结节下10 mm，再将添加韧带后的模具导入机械软件Ansys，对不同股骨止点重建后髌股关节应力进行生物力学的有限元分析。
结果与结论：①在膝关节屈曲 0°和30°时，选取任一股骨止点产生的髌股关节应力大于其他屈曲角度(60°，90°，120°)；无论采取哪种位点作为股骨端止点，当膝关节屈曲超过30°时，髌股关节间的接触应力大小基本无差别；②在膝关节屈曲 0°和30°时，以内收肌结节为止点的髌股接触压力最大，以股骨内上髁与内收肌结节连线的中点为止点的接触力最小；在膝关节屈曲30°时，股骨内上髁与内收肌结节连线的中点及股骨髁间窝顶部向内髁投射点、内收肌结节下10 mm作为股骨端止点的髌股间的接触应力大小无明显差别；③结果显示，重建内侧髌股韧带时股骨侧止点最好选择在内收肌结节与内上髁连线的中点，能够有效恢复膝关节的稳定性，达到延缓关节及软骨退变的目的。

https://orcid.org/0000-0002-3509-5025(徐彪)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 髌股脱位, 内侧髌股韧带, 网格划分, 三维重建, 生物力学, 应力, 有限元分析, 等长重建

Abstract: BACKGROUND: There are many ways to reconstruct the patellofemoral ligament. Among them, the lateral insertion of the femur has a greater influence. At present, there are many ways to select femoral insertion points, but there are no conclusions.
OBJECTIVE: Through the analysis of three-dimensional finite element software, the change of femoral reconstruction insertion position of medial patellofemoral ligament under different flexion states can analyze the stress of the patellofemoral joint to select a suitable femoral reconstruction insertion.
METHODS: CT data of normal knee joints of adults were obtained to import Mimics, Geomagic and Soildworks software to extract molds and add ligaments. The femoral insertion points of the ligament were the midpoint between the medial epicondyle and the adductor tubercle, the medial epicondyle, the adductor tubercle, the projection point from the top of the femoral intercondylar fossa to the medial condyle and 10 mm below the adductor tubercle. The mold added with ligament was imported into the mechanical software Ansys to analyze the stress of patellofemoral joint after reconstruction of different femoral insertion points using finite element analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) When the knee flexion was 0° and 30°, the stress of patellofemoral joint at any femoral insertion point of reconstructed medial patellofemoral ligament was greater than that at other angles (60°, 90°, and 120°). No matter which position was used as the femoral insertion point, when the knee joint was flexed more than 30°, there was basically no difference in the contact stress between the patellofemoral joints. (2) At 0° and 30° of knee flexion, the patellofemoral contact pressure was the largest at the point of the adductor tubercle, and the contact force at the midpoint between the medial epicondyle and the adductor tubercle was the smallest. When the knee was flexed 30°, the midpoint between the medial epicondyle and the adductor tubercle, the projection point from the top of the femoral intercondylar fossa to the medial condyle, and 10 mm below the adductor tubercle as the insertion point showed no significant difference in the contact stress. (3) Results indicate that when reconstructing medial patellofemoral ligament, the best choice of femoral lateral insertion point is the midpoint between the medial epicondyle and the adductor tubercle. This point can effectively restore the stability of knee joint and delay the degeneration of joint and cartilage.

Key words: patellofemoral dislocation, medial patellofemoral ligament, mesh generation, three-dimensional reconstruction, biomechanics, stress, finite element analysis, isometric reconstruction

中图分类号:

徐彪, 路坦, 杨骏良, 姜亚琼, 阴玉娇. 不同股骨止点对内侧髌股韧带重建后髌股关节应力影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(22): 3463-3468.

Xu Biao, Lu Tan, Yang Junliang, Jiang Yaqiong, Yin Yujiao. Three-dimensional finite element analysis of the stress of the patellofemoral joint after medial patellofemoral ligament reconstruction by different femoral reconstruction insertion points[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(22): 3463-3468.

图/表（结果） 3

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引言

髌骨脱位是一种常见的膝关节疾病，在所有膝关节疾病中其发病率约占3%[1-2]，髌骨脱位会导致髌股关节面损伤及退变，若治疗不及时，会对患者日常活动产生较大影响，远期甚至出现髌股关节炎或者膝关节骨性关节炎，极大危害着患者的身心健康。髌骨脱位的年平均发病率为42/10万，其中青少年女性人群发病率增加至108/10万[3]。在髌骨脱位的患者中，内侧髌股韧带是最容易受损伤的软组织。内侧髌股韧带的作用是维持髌骨的稳定，是防止髌骨外侧脱位最主要的软组织[4]，所以重建内侧髌股韧带来治疗髌骨脱位已经成为主要手段[5]。髌骨脱位发病原因较多，有内侧髌股韧带损伤、髌骨发育畸形、股骨滑车发育不良、多发韧带松弛等，但根本原因是髌骨在屈伸活动中所处的异常力学环境[6]。对于髌骨脱位的治疗最主要的宗旨是恢复髌股关节的对位关系，防止再次脱位[7]。治疗复发性髌骨脱位的手术方法较多，但软组织的重建尤其是内侧髌股韧带重建非常重
要[8]，绝大多数此类患者可以通过内侧髌股韧带重建的方式来达到治疗效果[9-10]。目前，重建内侧髌股韧带的手术方法众多，其不同主要在于韧带移植物的选取、髌骨位点的选取及股骨止点的选取，而重建内侧髌股韧带时，髌骨位点及韧带选取对手术实施影响较小，股骨止点选取对手术实施影响较
大[11]，错误的股骨止点定位会使髌股关节运动学和接触力学发生改变[12-13]。STEPHEN等[14]记录在解剖、近端和远端股骨止点位置重建时的髌股关节压力和运动学，发现止点位置偏向近端或远端都会出现髌股内侧关节接触压力显著升高和髌骨运动轨迹异常，随访发现患者存在早期退行性关节改变和疼痛[15-16]。然而，针对股骨止点的选取也有多种方式、多种定位，且后期对手术方式间的评估较少，定论不一。此次研究拟通过膝关节三维有限元模型的建立及分析，探讨各膝关节屈曲状态下不同内侧髌股韧带股骨重建止点位置对髌股关节应力的影响，有助于选择出合理准确的内侧髌股韧带股骨重建止点。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计膝关节三维有限元模型的建立及分析实验。
1.2 时间及地点实验于2019年5月到2021年8月在新乡医学院第一附属医院临床医学院完成。
1.3 材料影像学数据来自6名健康青年志愿者，年龄23-27岁，体质量指数21-23 kg/m2，既往无膝关节相关疾病史；对志愿者做膝关节CT薄层扫描(1 mm)，扫描范围包括膝关节上下各15 cm，获取影像学资料(DICOM格式)。志愿者对实验知情同意，并签署知情同意书。实验方案已经新乡医学院第一附属医院伦理委员会讨论批准。
64排螺旋CT扫描机(Siemens公司，德国)；Dell工作站；医学影像控制软件Mimics 16.0(Materialise公司，比利时)；初步网格划分及光滑骨面软件Geomagic 2014(Raindrop公司，美国)；网格划分及韧带重建软件Soildwork 2016(Dassault Systemes公司，美国)；有限元力学软件Ansys 19.0(ANSYS公司，美国)。
1.4 实验方法
1.4.1 膝关节三维模型的建立将DICOM格式的CT影像资料导入Mimics软件，将膝关节根据组织不同的CT值(亨氏)设定区别出骨骼及肌肉等；并进行选取无损模型转换，对骨骼断端进行封闭填补空洞初步完整模型提取。重复操作生成膝关节各角度的蒙罩图，对蒙罩进行编辑，并结合冠状面及矢状面的图像进行标记：股骨内上髁(B)[17]、内收肌结节(C)[18]、股骨内上髁与内收肌结节连线的中点(A)[19]、股骨髁间窝顶部向内髁投射点(D)[20]，生成膝关节各活动部位的初步三维模型(未实体化的点云数据)；再对膝关节各活动阶段三维模型进行包裹、平滑，生成膝关节各活动阶段的三维有限元模型，以STL格式保存并输出。
1.4.2 骨面光滑处理及实体成模将生成的骨骼蒙罩，见图1，导入Geomagic软件中，去除表面钉状物及异常体征，初步光滑骨面，初步划分区域并对各组织结构进行网格医生初步处理，修补残缺空洞及删除图像中的钉状物，精确曲面，利用软件重画轮廓线并进行曲面化，由此转化为实体；依次按照上述操作把膝关节各骨拆分实体化，最后以三维通用格式STP保存输出，见图2(3D可打印)。

1.4.3 模具的验证及韧带的添加及各骨的装配生成的STP格式文件在Soildworks软件中运行，因图像均来自螺旋CT，利用螺旋CT的容积效应，按照原点进行组装。通过软件工具测量并标记出内收肌结节下10 mm(E)[21]，在股骨端分别以A、B、C、D、E为止点的中心，见图3，建立半径为5 mm的圆作为股骨止点的重建位点，选取出髌骨内上角位置及下缘相当于髌骨内缘的中点，上下缘宽度为20 mm的地方作为髌骨侧止点[22]，通过软件放样功能生成模拟出重建的内侧髌股韧带。

止点的生成：结合冠状面及矢状面的图像应用Mimics标记出A、B、C、D四个位点、应用Soildwork软件测量标记出E点。A为股骨内上髁与内收肌结节连线中点，B为股骨内上髁，C为内收肌结节，D为股骨髁间窝顶部向内髁投射点，E为内收肌结节下10 mm。
按照上述方法，依次生成30°，60°，90°及120°模具，并将各骨实体化成为零件装配，因腓骨与实验无关，去除，最终完成股骨、髌骨及胫骨的装配，生成最终膝关节模具，见图4。为验证膝关节三维有限元模型的有效性，给正常膝关节模具的胫骨施加了前向推力载荷。具体如下：将股骨约束固定，胫腓骨在屈膝 0°位约束固定，其他接触不约束，并在胫骨中心点施加 134 N 的前向推力载荷，分别计算6个导出模具直立位的胫骨前移程度为 4.89，4.86，4.89，5.02，4.83，4.88 mm。在同样的约束条件下，LA PRADE等[23]的研究结果为 5.0 mm，PENA等[24]的结果显示胫骨前移 4.75 mm，故此次实体测量结果与他人测量结果相似。综上所述，此次研究所建立的膝关节三维有限元模型合理、合格，验证有效，可为后续研究。

1.4.4 膝关节各部件的赋值设置在Ansys软件中，设置骨骼的弹性模量为14 357 MPa，泊松比0.34；软骨的弹性模量为109 MPa，泊松比为0.19[25]；半月板的弹性模量为59 MPa，泊松比为0.49[26]。内侧髌股韧带的弹性模量472 MPa，泊松比 0.30[27]，见表1。

设计胫骨端底部位置固定，股骨不受约束，并设置髌股关节面、半月板接触面为无摩擦；内侧及外侧髌股韧带与其骨面接触为绑定；重建时的预张力一般维持在2-10 N，张力过小无法起到内侧髌股韧带的原有作用，张力过大则可能会导致重建术后出现僵硬、疼痛、软骨退化及髌骨骨折等并发症。尸体研究显示髌股韧带最大抗拉力208 N，因无实体研究，对此说法不一[28]；为了更加贴近解剖力学，此次实验综合设定韧带拉力110 N。
通过Ansys力学分析软件进行应力求解结果，在应力求解结果选项中Integration Point Results(积分点结果)中看到averaged选项，其功能是显示平均后的应力结果；原理是通过在高斯积分点上运算，依据几何方程{ε}= [B]{d}，计算出高斯积分点上的应变{ε} ，然后基于虎克定律及几何方程推导的结果[σ] = [D][B]{d}来计算高斯积分点的应力。简义解释是通过每个单元格上的应力及应该结果结合每个单元格所占用的比例，进行加权后输出结果，以代表该髌骨面所具有的应力。以此完成计算，主要观察不同位置及屈曲状态下髌股关节间压力的变化。
1.5 主要观察指标膝关节屈曲 0°，30°，60°，90°，120°时不同股骨止点重建后髌股关节应力。

讨论

膝关节内侧稳定结构主要包括内侧髌股韧带、髌半月板韧带、髌胫韧带。尸体解剖显示内侧髌股韧带呈扇形，是有区别于内侧支持带的一个独立结构。关于膝关节内侧的支持结构可分为3层：第1层为深筋膜；第2层为内侧副韧带的浅层和其前方的结构组织；第3层为内侧副韧带深层和膝关节囊。内侧髌股韧带位于第2层内，股内侧肌深面，长度为45-64 mm(平均53 mm)。
内侧髌股韧带是最强大的限制髌骨外移的韧带性结
构[31]，提供了平均50%-60%的限制髌骨外移力量[32-33]，同样产生了适当的髌股应力。正常情况下，软骨需在适当的应力刺激下合成蛋白多糖、胶原等成分来营养、润滑关节。赵定磷[34]在兔髌韧带紧缩术后发现，因髌股关节压力变大，髌软骨面明显变性。MORSCHER[35]曾报道，髌骨软骨内侧面应力改变也可引起软骨营养障碍。由此发现髌股间接触压力过大，增加髌股之间的摩擦，可导致关节病损[36]，最终使髌骨的运动轨迹改变，最终成为骨性关节炎。压力过小，引起关节退变，也将改变髌骨运动轨迹造成不必要的关节面接触摩擦，所以重建后能否达到正常的压力至关重要。
临床上内侧髌股韧带重建的方式有多种，解剖位点始终是最理想、最佳点，但是尸体解剖发现内侧髌股韧带股骨位点范围较局限，且多存在变异，此处纤维薄而窄，向前逐渐增宽增厚，且股骨内侧髁附着结构较多，对内侧髌股韧带起点的精确定位、分离较困难。这些都导致难以定位准确的解剖位点。手术经验结合解剖提出，无论何种手术方式都应符合“等长原则”，等长原则指内侧髌股韧带在膝关节屈曲从 0°-90°的过程中从髌骨下部到股骨上部的这一部分是几乎等长的，其平均长度变化仅有 1.1 mm[37]。通过等长重建内侧髌股韧带可以有效恢复髌股关节的正常关系[38-39]，而完成等长重建关键在于股骨端止点的选择。对于股骨止点，有文献经解剖30个膝关节指出内侧髌股韧带的股骨止点有以下3种类型[40]：①附着于自膝内侧副韧带浅层的近端部分至内收肌结节近侧，范围覆盖整个股骨内上髁和收肌结节，由此作者提出重建位点A点(股骨内上髁与内收肌结节中点)；②附着在内收肌结节，故作者选择重建位点C点(内收肌结节)研究位点；③内侧髌股韧带股骨侧起点分为2束，近端束起自内收肌结节下方发出，由此选择E点(内收肌结节下
10 mm)为止点；远端束相对较细起自内侧副韧带的浅层；两束跨过股骨内上髁在前方汇合，由此，此次研究也纳入B点(股骨内上髁)为研究位点。而D点(股骨髁间窝顶部向内髁投射点)的选择是医师手术时常采用的一种定位方式。
采用有限元分析的优势在于数字骨科已成为了骨科研究的新区域，其中有限元分析已经被认为是一种有效的研究方法，因其具有许多优势及特点，可以克服一些传统尸体研究的弊端，如实验费用高、尸体差异大和不易获得、实验周期长以及无法动态分析几何结构的关节力学特性等。在研究膝关节生物力学时，三维有限元模型可以较为准确地模拟膝关节应力的演变过程。通过构建膝关节有限元分析膝关节不同屈曲状态时发现，屈曲 0°和30°时，重建内侧髌股韧带的股骨止点任何位点较其他角度产生的髌股关节应力较大，这也与解剖相符。通过分析0°和30°时5个位点所造成不同的髌股应力，作者建议将股骨侧重建点选择在内收肌结节与内上髁连线的中点，该点能够有效恢复膝关节的稳定性，达到延缓关节及软骨退变的目的。如果存在解剖变异，也可通过术中透视来选择在股骨髁间窝顶部向内髁投射点或选择内收肌结节下10 mm；在此两点髌股间接触应力适中，也符合等长原则，但髌股间应力稍高。不建议将重建点选择在股骨内上髁、内收肌结节，这两点产生了较明显的髌股压力，后期造成并发症的可能性较大。
研究也存在不足及限制：①模型的建立并未加入膝关节周围肌肉及髌韧带等软组织，相应的软组织也会对结果产生影响，每个人的肌肉力量及韧带锻炼承受程度不同，故存在误差；②由于数字技术限制及软件设置要求，研究只固定于5个不同屈曲角度的膝关节进行了生物力学研究，目前操作技术还未能模拟出膝关节连续角度的动态演示；③软件的局限性，模具的精度受网格划分方法尤其网格尺度大小的影响，原则上网格划分的越是精细、划分的尺寸越小，计算的结果越准确；但是划分过于精细则整个运算过程及建模要求对数字配置要求较高，计算机的运行效率对其也有影响，软件为适应配置问题也会折中处理网格大小，人为的设置会增加准确度，但三维划分导致应力集中的现象会频发。
结论：内侧髌股韧带重建已基本成为髌骨脱位治疗的金标准，手术的关键问题是实现重股骨端位点的选择。为了实现近似解剖的髌股间接触应力，作者建议将股骨侧重建点选择在内收肌结节与内上髁连线的中点，这样能够有效恢复膝关节的稳定性，达到延缓关节及软骨退变的目的。如果存在解剖变异，也可选择在股骨髁间窝顶部向内髁投射点或内收肌结节下 10 mm，不建议将重建点选择在股骨内上髁、内收肌结节。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

不同股骨止点对内侧髌股韧带重建后髌股关节应力影响的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of the stress of the patellofemoral joint after medial patellofemoral ligament reconstruction by different femoral reconstruction insertion points

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