前交叉韧带重建后急停起跳过程中膝关节应力的有限元分析

doi:10.12307/2023.853

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (35): 5701-5706.doi: 10.12307/2023.853

• 肌肉肌腱韧带组织构建 tissue construction of the muscle, tendon and ligament • 上一篇下一篇

前交叉韧带重建后急停起跳过程中膝关节应力的有限元分析

刘艺辉1，闫可1，张力文1，张美珍1，武晓刚2，陈维毅2

太原理工大学，1体育学院，2生物医学工程学院，山西省太原市 030024

收稿日期:2022-11-19 接受日期:2022-12-13 出版日期:2023-12-18 发布日期:2023-06-05
通讯作者: 张美珍，博士，教授，硕士生导师，太原理工大学体育学院，山西省太原市 030024
作者简介:刘艺辉，男，1997年生，太原理工大学在读硕士，主要从事运动生物力学研究。
基金资助:
首批新文科研究与改革实践项目(2021050026)，项目负责人：张美珍；山西省基础研究计划自由探索类项目(202103021224109)，项目负责人：张美珍；山西省回国留学人员科研资助项目(2020-032)，项目负责人：张美珍；太原理工大学学科建设经费；2022年度山西省研究生教育创新项目(2022Y262)，项目负责人：刘艺辉

Finite element analysis of knee joint stress in stop-jump maneuvers after anterior cruciate ligament reconstruction

Liu Yihui1, Yan Ke1, Zhang Liwen1, Zhang Meizhen1, Wu Xiaogang2, Chen Weiyi2

1College of Physical Education, 2College of Biomedical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, China

Received:2022-11-19 Accepted:2022-12-13 Online:2023-12-18 Published:2023-06-05
Contact: Zhang Meizhen, PhD, Professor, Master’s supervisor, College of Physical Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, China
About author:Liu Yihui, Master candidate, College of Physical Education, Taiyuan 030024, Shanxi Province, China
Supported by:
The First Batch of New Liberal Arts Research and Reform Practice Project, No. 2021050026 (to ZMZ); Shanxi Provincial Basic Research Program (Free Exploration Project), No. 202103021224109 (to ZMZ); Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China, No. 2020-032 (to ZMZ); Discipline Construction Funds of Taiyuan University of Technology; Shanxi Provincial Postgraduate Education Innovation Project in 2022, No. 2022Y262 (to LYH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

急停起跳：在足球、篮球、排球等运动项目中，运动员需要完成大量的跳跃、急停起跳、变向动作，其中急停起跳不仅是这些项目中常见的技术动作之一，且极易导致膝关节前交叉韧带损伤，并进一步引发膝关节骨性关节炎的发生。

前交叉韧带重建：前交叉韧带断裂的患者往往需要接受前交叉韧带重建手术治疗，通过韧带重建以期恢复膝关节的稳定性并限制胫骨过度前移。然而，前交叉韧带重建后下肢可能出现不对称运动模式，这种运动特征对健患侧膝关节各组织间应力影响尚不清晰。

背景：已有研究分析了前交叉韧带重建患者术后完成不同动作时健患侧运动学、动力学等运动特征，假设前交叉韧带重建术后患者在完成急停起跳动作时健侧前交叉韧带von Mises应力较患侧高，半月板和股骨软骨的von Mises应力较患侧低。
目的：通过探究前交叉韧带重建患者健患侧膝关节软组织的应力响应特征，以期为降低该人群发生前交叉韧带二次损伤及慢性膝关节骨性关节炎等继发性损伤提供参考。
方法：运用红外光点运动捕捉系统(Nokov)和测力台(Bertec)采集前交叉韧带重建患者急停起跳时膝关节运动学和动力学特征，通过欧拉角计算方法和逆动力获得膝关节三维角度和三维力矩参数，并将膝关节三维角度和力矩作为边界和加载条件分别载入健患侧膝关节有限元模型，进行数值仿真，比较健患侧膝关节内部结构在实际运动载荷下的应力分布情况。

结果与结论：①在水平向后第一地面反作用力峰值时刻，患侧膝关节屈曲角、内收角明显大于健侧，且健侧垂直地面反作用力高于患侧。此外，健侧垂直地面反作用力峰值出现在急停起跳阶段的4%-6%，而患侧出现在急停起跳阶段的15%-17%，表现出健侧腿较患侧先着地的运动模式。②有限元分析显示健侧前交叉韧带von Mises应力峰值高于患侧(28.47 MPa vs. 13.18 MPa)，且健侧最大应力出现在前交叉韧带后束部位，而患侧分布于前交叉韧带前侧股骨端；此外，患侧股骨软骨(12.16 MPa vs. 5.342 MPa)和半月板(17.35 MPa vs. 16.18 MPa)von Mises应力峰值均大于健侧，对应的最大应力峰值分别位于股骨远端关节软骨外髁边缘处和外侧半月板前角边缘。③有限元模拟得出前交叉韧带重建患者健侧发生前交叉韧带损伤风险较患侧前交叉韧带二次损伤风险可能更大，进一步由于患侧股骨软骨和半月板产生较高的应力可能会加重膝关节骨性关节炎的发展；研究结果提示前交叉韧带重建患者进行康复训练时不仅需关注患侧的康复训练，健侧异常的运动模式和代偿反应亦不容忽视。

https://orcid.org/0000-0001-8825-9487(刘艺辉)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 前交叉韧带重建, 急停起跳, 股骨软骨, 半月板, 应力, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: The kinematic and kinetic characteristics of the knee joint during the different movements of patients undergoing anterior cruciate ligament reconstruction have been analyzed. Herein, it is assumed that patients undergoing anterior cruciate ligament reconstruction have higher von Mises stress in the anterior cruciate ligament on the unaffected side than on the affected side and lower von Mises stress in the meniscus and femoral cartilage on the unaffected side than on the affected side during stop-jump maneuvers.
OBJECTIVE: To investigate the stress response characteristics of the soft tissue of the knee on the unaffected and affected sides of patients undergoing anterior cruciate ligament reconstruction in order to provide a reference for reducing secondary injuries such as secondary anterior cruciate ligament injuries and chronic knee osteoarthritis in this population.
METHODS: Kinematic and kinetic parameters of the knee joint were acquired during the stop-jump maneuvers in patients with anterior cruciate ligament reconstruction using an infrared spot motion capture system (Nokov) and a force measuring platform (Bertec). The three-dimensional angle and torque parameters of the knee joint were obtained by the Euler angle calculation method and inverse dynamics. The three-dimensional angle and torque, used as boundary and loading conditions, were then loaded into the finite element model of the knee joint, and numerical simulations were subsequently performed to compare the stress distribution of the internal structure of the knee joint on the unaffected and affected sides under actual motion loads.
RESULTS AND CONCLUSION: At the peak of the first horizontal posterior ground reaction force, the flexion and adduction angles of the affected knee were significantly greater than those of the unaffected side, and the vertical ground reaction force was higher on the unaffected side than on the affected side. In addition, the peak vertical ground reaction force of the unaffected side appeared when the stop-jump maneuver was performed by 4%-6%, and that of the affected side appeared when the stop-jump maneuver was performed by 15%-17%, showing the unaffected leg lands earlier than the affected side. Finite element analysis results showed that the peak value of anterior cruciate ligament von Mises stress on the unaffected side was higher than that on the affected side (28.47 MPa vs. 13.18 MPa). The maximum stress on the unaffected side occurred at the posterior tract of the anterior cruciate ligament, while that on the affected side was mainly distributed in the anterior femoral end of the anterior cruciate ligament. In addition, the von Mises stress peak values of the affected femoral cartilage (12.16 MPa vs. 5.342 MPa) and meniscus (17.35 MPa vs. 16.18 MPa) were greater than those of the unaffected side. The corresponding maximum stress peaks were located at the edge of the lateral condyle of the distal femoral articular cartilage and the edge of the anterior horn of the lateral meniscus, respectively. Finite element simulation indicated that the risk of anterior cruciate ligament injury on the unaffected side might be greater than that on the affected side. Furthermore, knee osteoarthritis could be aggravated by a higher stress on the affected femoral cartilage and meniscus. Overall, the rehabilitation training programs for patients undergoing anterior cruciate ligament reconstruction should not only pay attention to the rehabilitation training of the affected knee, but also focus on the abnormal movement pattern and compensation mechanism of the unaffected knee.

Key words: anterior cruciate ligament reconstruction, stop-jump, femoral cartilage, meniscus, stress, finite element analysis

中图分类号:

刘艺辉, 闫可, 张力文, 张美珍, 武晓刚, 陈维毅. 前交叉韧带重建后急停起跳过程中膝关节应力的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(35): 5701-5706.

Liu Yihui, Yan Ke, Zhang Liwen, Zhang Meizhen, Wu Xiaogang, Chen Weiyi. Finite element analysis of knee joint stress in stop-jump maneuvers after anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(35): 5701-5706.

图/表（结果） 7

2.1 模型验证结果对胫骨施加134 N向前的推力后，发现胫骨髁间嵴中点前移4.77 mm，见图4。在同样载荷条件下，朱广铎等[23]得出的结果4.62 mm，虽然各自结果有差异，但胫骨平台位移结果同属一个量级。

对股骨平台施加1 000 N垂直向下的载荷后，内侧软骨接触应力峰值为2.417 MPa，外侧软骨接触应力峰值1.343 MPa。FUKUBAYASHI等[22]将同等载荷作用于尸体后，得出完整膝关节接触区域平均接触应力为(0.8±0.2) MPa，其结果与此次研究接近。此研究从位移和应力两个方面均验证了模型的有效性。
2.2 受试者急停起跳动作下运动学和动力学特征受试者以(3.5±0.2) m/s速度完成急停起跳过程中，膝关节运动学如图5所示，vGRF和hGRF曲线如图6所示。可以看出，健侧水平向后第一地面反作用力峰值时刻出现在急停起跳过程的8%左右，而患侧在急停起跳过程的11%左右。此特征时刻下，患侧膝关节屈曲角、内收角明显大于健侧，且健侧vGRF高于患侧。此外，健侧vGRF峰值出现在急停起跳阶段5%左右，患侧出现在16%左右，表现出健侧腿较患侧先着地的运动模式。

2.3 有限元分析结果在hGRF峰值时刻，对前交叉韧带重建患者健、患侧膝关节前交叉韧带、股骨软骨及半月板的von Mises应力峰值特征进行分析，见图7。通过已验证的膝关节有限元模型计算，得出健侧股骨软骨、前交叉韧带、半月板的应力峰值分别为5.342，28.47，16.18 MPa，患侧股骨软骨、前交叉韧带、半月板的von Mises应力峰值分别为12.16，13.18，17.35 MPa。

健患侧前交叉韧带出现明显的应力集中且健侧von Mises应力峰值高于患侧，最大应力出现在前交叉韧带后束部位，而患侧主要分布在前交叉韧带前侧股骨端。根据应力结果和分布可以得出，健侧前交叉韧带发生损伤的风险要高于患侧，易发生在前交叉韧带与胫骨隆起连接的下端和与股骨内侧髁连接处，患侧前交叉韧带发生二次损伤的位置可能位于前内侧束，见图8。患侧股骨软骨von Mises应力峰值大于健侧，最大应力峰值位于股骨远端关节软骨外髁边缘处，且大于胫-股关节间软骨接触部分，而健侧von Mises应力峰值位于股骨远端关节软骨外侧髁中部。此外，股骨软骨个体接触应力均集中于软骨中部，见图9。

此外，患侧半月板的最大von Mises应力峰值高于健侧。患侧半月板最大应力峰值位于外侧半月板前角边缘，von Mises应力主要分布在外侧半月板前后角及内侧半月板后角部位，与患侧有相同的von Mises应力分布趋势。此外，患侧内外侧半月板应力分布均出现在前角部，与患侧半月板不同的是，健侧内侧半月板最大von Mises应力峰值出现在后角北侧边缘处，且应力分布明显集中于后角部，见图10。

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引言

前交叉韧带断裂是体育运动中严重的膝关节损伤之一[1]。在篮球运动中，前交叉韧带断裂的发生率相对较高，在NBA球员中比例为2.7%[2]。前交叉韧带断裂后为尽快恢复运动功能，部分患者选择固定、膝关节支架等保守治疗，而90%的患者选择手术干预以重建韧带并稳定膝关节[3]。美国国家篮球协会(WNBA)一项调查表明，69.5%的篮球运动员在前交叉韧带重建后能够成功重返赛场[4]。然而，急停起跳动作作为篮球等运动项目中反复进行的技术动作之一，运动员重返赛场后仍需经常完成一系列的落地和跳跃动作，临床医生则采用该动作评估和监测患者神经肌肉控制及康复程度[5]。研究表明，70%以上的前交叉韧带损伤发生在急停起跳和突然减速着陆时，极易造成健侧前交叉韧带损伤及患侧二次损伤[4]。
虽然手术重建是治疗前交叉韧带断裂的临床标准，但重建后仍然存在康复时间长、运动恢复率低、移植物再损伤率高等诸多问题[6]，因此不少学者针对前交叉韧带重建患者术后的问题进行了探究。
前交叉韧带重建患者术后随访研究发现前交叉韧带二次损伤的发生率较高[7]。SALMON等[7]报道了前交叉韧带重建患者术后5年内每8.3例即有1例(12%)发生二次损伤，并会伴随膝关节骨性关节炎的发生，增加了其软组织损伤等膝关节慢性疾病的风险[8]。其中，前交叉韧带重建术后患者较高的健侧急性损伤也引起了研究学者的关注。已有研究发现，超过25%的患者在前交叉韧带重建术后会遭受前交叉韧带移植物或健侧前交叉韧带的损伤，且健侧膝关节二次前交叉韧带损伤率几乎是患侧膝关节的两三倍[9-10]。因此，有研究探索前交叉韧带重建患者术后健患侧膝关节生物力学特征的差异。YOKOYAMA等[11]对比前交叉韧带重建患者单腿下蹲时的健患侧生物力学特征，得出健侧膝关节外翻角度显著大于患侧。MÜNDERMANN等[12]对前交叉韧带重建患者的步态进行研究，发现患侧股四头肌力减弱，引起健侧膝关节产生较高的负荷以及软骨的黏弹性响应减少，进而影响落地缓冲效果，可能使健侧损伤风险更高。不难看出，前交叉韧带重建患者术后健侧与患侧的运动模式存在差异，这种偏倚可能更易引发健侧膝关节损伤。已有研究分析了前交叉韧带重建患者术后完成不同动作时健患侧运动学、动力学等运动特征，若能进一步了解术后韧带及其周围组织(如软骨、半月板等膝关节内部结构)的应力响应，则能更全面、深入地了解前交叉韧带重建患者术后的下肢膝关节的载荷特征，特别是健侧损伤风险更高的生物力学因素，而膝关节三维有限元分析则为解决这一问题提供了可行性。
目前，已有学者通过有限元分析得出各软组织的应力分布特征，为前交叉韧带重建术后患者早期进行应力分散治疗和延缓膝关节慢性疾病提供理论依据。张震等[13]通过构建轻度膝关节骨性关节炎的有限元模型，研究在关节软骨和半月板上的应力分布特征，为减缓膝关节骨性关节炎的发展及临床治疗提供指导。基于此，该研究选取前交叉韧带重建术后患者为研究对象，建立膝关节三维有限元模型，并将其在前交叉韧带损伤高危动作下获得的三维运动学和动力学特征作为边界条件和载荷，比较健侧和患侧前交叉韧带、股骨软骨、半月板等膝关节组织的应力差异。根据以往研究和此项研究目的拟验证以下研究假设：前交叉韧带重建术后患者在完成急停起跳动作时健侧前交叉韧带von Mises应力较患侧高，半月板和股骨软骨的von Mises应力较患侧低。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计运动生物力学实验、膝关节三维有限元模型的建立及分析实验。
1.2 时间及地点研究于2022年4-9月在太原理工大学运动生物力学实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 膝关节MRI数据选取1名右侧前交叉韧带重建篮球爱好者(19岁，180 cm，92.3 kg)，篮球训练史4年，每周进行≥3次的篮球训练，于2021年4月在篮球比赛过程中发生前交叉韧带断裂，矢状面T1WI显示右侧膝关节前交叉韧带信号连续性中断，左侧膝关节未见明显异常，于2021年5月接受手术重建治疗，手术方案为单侧自体腘绳腱重建，且无其他手术史(半月板、关节软骨、侧副韧带等)。扫描双侧膝关节，扫面范围包括膝关节上下各 15 cm，要求受试者采取仰卧位，扫描层厚为0.62 mm，共计获得扫描图片261张，将扫描的同一序列图片保存为DICOM格式文件。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。实验方案已经太原理工大学伦理委员会讨论批准(伦理审批号：TYUT-202203102，审批时间：2022年3月3日)。
1.3.2 设备及软件 64 排螺旋CT扫描机(Siemens 公司，德国)；医学影像控制软件Mimics 16.0(Materialise公司，比利时)；模型曲面修复及光滑软件Geomagic Wrap 2017(Geomagic公司，美国)；网格划分软件Hypermesh 14.0(Altair公司，美国)；三维建模软件SolidWorks 2017(Dassault Systemes公司，美国)；有限元力学软件Abaqus 16.0(Dassault 公司，法国)。
1.4 方法

1.4.1 运动生物力学实验测试受试者穿着实验室提供的紧身上衣、短裤及统一的实验运动鞋，在测试前进行充分的准备活动，并由同一操作人员为受试者粘贴29个反光标志点，位置参考张美珍等[14]的研究。测试动作为急停起跳[15](见图1)，动作要求受试者在离测力台5-10 m处开始助跑，在距测力台还有一步时，两足同时跳到测力台台面后急停，然后立刻尽全力垂直向上起跳并落地。测试过程通过Witty-Manual光栅测量受试者完成动作的助跑速度，速度在(3.5±0.2) m/s内为1次有效数据[16-17]。使用12镜头红外光点运动捕捉系统(200 Hz，Nokov Mars2H，中国)采集受试者各标志点坐标，利用三维测力台(1 kz，Bertec，美国)同步采集受试者动力学数据，要求受试者双脚均落在测力台内，共采集3次有效数据。

运用Cortex-64 2.6.2(Motion Analysis Inc，USA)软件对运动学数据进行处理，根据反光标志点建立人体环节多刚体模型，采用欧拉角的方法计算躯干和下肢各关节三维角度[18]。将测得的动力学原始数据进行50 Hz的低通滤波，通过逆动力学方法计算膝关节三维力矩(MS3D7.0 版，Motion Soft Inc，美国)，并得出地面反作用力峰值(BW%)、垂直地面反作用力(vertical ground reaction force，vGRF)、水平向后地面反作用力(horizontal ground reaction force，hGRF)等。
1.4.2 前交叉韧带重建患者膝关节有限元建模将DICOM 格式文件导入Mimics Research 19.0 软件中对图像进行预处理，通过调节灰度阈值和操作Split Mask命令将骨、各软骨组织间区分，使得骨、软骨、韧带、半月板边界更为清晰，生成三维实体模型。

进一步，在逆向工程软件Geomagic Studio 12.0中，运用删除钉状物、去除特征、填充孔洞对模型曲面进行修复，根据模型表面曲率变化，探测并编辑轮廓线，将模型表面划分成若干个独立的曲面片，之后对曲面片进行格栅处理，并拟合曲面，从而生成更精准、更高质量的曲面模型。完成各骨组织处理后，导入SolidWorks软件按原有坐标进行装配，生成完整的膝关节实体模型，并在HyperMesh 14.0中划分网格，各骨骼、软组织均采用四面体划分网格，股骨、胫骨、腓骨以及关节软骨等单元设置为 3 mm，半月板及其相邻韧带单元尺寸设置为1 mm(见图2)。将获得的INP文件导入有限元分析软件Abaqus 2016进行计算分析。膝关节各组成部分及材料学属性如表1所示。

1.4.3 模型验证研究通过以下两种方法观察模型应力和应变特征，并验证模型的有效性。
(1)根据临床操作和现有文献，膝关节屈曲处于0°角时完全固定股骨，以134 N前向推力施加在胫骨上端，观察胫骨平台位移的大小[20-21]。
(2)约束股骨内外侧平移以及内外旋方向，约束胫骨、腓骨远端自由度，对股骨平台施加1 000 N垂直向下的载荷，观察股骨远端关节软骨的应力大小[22]。

1.4.4 边界条件与载荷研究设定边界条件和加载载荷如下：限制膝关节模型中胫骨、腓骨下端的6个自由度，半月板与胫骨软骨、股骨软骨之间设定为无摩擦接触，各个关节软骨与骨之间设定为绑定接触(见图3)。在水平向后地面反作用力峰值时刻，将实验获得的膝关节屈伸、内外翻、内外旋角度和三维力矩作为边界条件载入模型(见表2)。

1.5 主要观察指标 ①模型验证结果；②受试者前交叉韧带急停起跳动作下运动学和动力学特征；③有限元分析受试者健、患侧膝关节前交叉韧带、股骨软骨及半月板的von Mises应力峰值特征。

讨论

前交叉韧带起自胫骨髁间隆起的前方，附着于股骨内侧髁的外侧面，主要限制胫骨相对股骨的过度前移，避免膝关节过伸，其次限制胫骨内旋[24]。研究发现当膝关节屈曲15°时施加恒定的10 Nm外翻力矩，前交叉韧带断裂的胫股间室前移较前交叉韧带完整时增加(6.9±3.4) mm[25]。前交叉韧带重建虽然弥补了患侧在解剖方面的不足，但在膝关节稳定性方面的功能还未完全恢复，仍存在患侧前交叉韧带避免二次损伤的风险。此外，患侧半月板、股骨软骨等相邻组织将代偿性承担更多的负荷，来保护患侧前交叉韧带避免二次损伤[26]。值得注意的是，这种运动模式使患者将过多的应力作用于健侧胫股间室，增加了健侧膝关节骨性关节炎的风险[26]。因此，此次研究以前交叉韧带重建患者为研究对象，分析受试者在完成急停起跳时健患侧前交叉韧带、股骨软骨和半月板的应力及分布特征。
此次研究通过有限元模拟得到前交叉韧带重建患者患侧前交叉韧带等效应力(13.18 MPa)、压应力(9.98 MPa)、剪切应力(4.83 MPa)峰值均分布在韧带前侧股骨端，与健康膝关节前交叉韧带等效应力(8.88 MPa)、压应力(8.77 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)的最大值位置一致[27]，这说明患侧重建韧带的生物力学特性与健康完整的前交叉韧带变化趋势一致，且患侧表现出应力更大的特征。已有研究提出患侧前交叉韧带移植物刚度因随时间增长而发生变化，一项自体髌腱移植物重建前交叉韧带的研究发现，3年后前交叉韧带移植物刚度为健康前交叉韧带的49%，这也进一步说明重建后移植物存在二次断裂的风险。此次研究中模拟得出前交叉韧带患侧二次断裂的位置可能位于前内侧束。此外还发现健侧前交叉韧带等效应力高于患侧(28.47 MPa vs. 13.18 MPa)，在一定程度上与任爽等[27]研究得出患侧前交叉韧带移植物最大应力小于健侧的结果的一致。研究发现，健侧膝关节前交叉韧带断裂的风险(11.8%)是重建前交叉韧带的移植物再复发风险(5.8%)的2倍[10]。究其原因，可能是前交叉韧带重建后健患侧下肢不对称的运动模式导致的。此次研究得出受试者在完成急停起跳时，在hGRF峰值时刻健患侧膝关节屈角[(36.7±1.8)° vs. (55.9±4.6)°]不同。已有研究证实，膝关节屈角越小，前交叉韧带负荷越大[16]。此外，PEEBLES等[28]研究发现，与患侧相比，在下蹲和着陆时健侧的地面反作用力较高，且伴随着胫骨平台前倾，造成膝关节屈曲力矩增大，这时需要股四头肌收缩产生的伸膝力矩来平衡，进而增加了胫骨平台向前的剪切力，导致前交叉韧带负荷增加[29]。进一步通过模拟结果可以看出健侧前交叉韧带最大von Mises应力出现在后外侧束部位。一项对尸体研究得出，正常的膝关节前交叉韧带前内侧束承受45.7 MPa负荷时会发生断裂，后外侧束则在15.4 MPa时断裂，在一定程度上说明健侧前交叉韧带的断裂位置可能位于后外侧束[30]，这与此次研究模拟得到的结果类似。不难发现前交叉韧带重建患者术后健患侧前交叉韧带损伤风险均提高，健侧尤为突出，且健患侧前交叉韧带断裂位置不同。
流行病学研究表明，前交叉韧带断裂即刻伴随半月板撕裂的比例达40%-60%[31-32]，接受非手术治疗的前交叉韧带断裂患者中有37.4%患有半月板损伤[33]，进行前交叉韧带重建手术平均30.3个月后约有3.9%的患者出现半月板撕裂[34]，另有研究发现内侧半月板切除后重建的前交叉韧带移植物的受力增加了54%[35]。由此可见，前交叉韧带和半月板之间存在相互依赖的生物力学关系。此次研究中，前交叉韧带重建患者患侧半月板von Mises应力峰值高于健侧(17.35 MPa vs.16.18 MPa)，这可能是由于患者在完成动作中为保护患侧膝关节二次损伤，患侧半月板承担了重建韧带的部分负荷造成的[36]。有限元分析还发现半月板应力主要分布在外侧及内侧后角部，此结果为半月板损伤后关节镜下切割手术治疗提供准确位置及力学原理解释，如果切除位置不当，会加快关节软骨退变，导致骨性关节炎形成，对关节软骨无法起到保护作用[37]。
此外，健患侧不对称的运动模式可能会改变股骨软骨负荷，从而增加患侧骨关节炎的风险[38]。CHEN等[26]发现与健康人群相比，前交叉韧带断裂后健患侧内侧接触面积均增加，且重建后胫股软骨接触面积和膝关节运动学无法恢复到重建前，接触面积的增加意味着膝关节运动学的改变，可能导致前交叉韧带二次断裂及膝关节骨性关节炎的发生。此外，MÄKELÄ等[39]通过切断兔子一侧前交叉韧带模拟前交叉韧带断裂并进行膝关节软骨生物力学检测实验，发现健侧膝关节外髁软骨的动态弹性模量只有正常软骨的30%，造成股骨软骨传递负荷的生物力学性能下降，预示着软骨发生早期的退变。而此次研究健侧与患侧股骨软骨(5.3 MPa vs. 12.1 MPa)应力峰值也说明了这种不对称的应力变化，进而诱发关节软骨的损伤，最终导致膝关节骨性关节炎的发生。
此次研究得到前交叉韧带重建患者健患侧前交叉韧带、股骨软骨及半月板的应力及分布情况，对预防健侧前交叉韧带损伤、患侧前交叉韧带二次损伤及延缓膝关节骨性关节炎的发展具有重要意义。此外，研究亦存在一定的局限性，首先，将前交叉韧带重建患者进行急停起跳动作时的运动特征作为三维有限元分析的边界条件和载荷，结果可以刻画该名受试者个性化的膝关节应力特征及分布情况，然而设计样本量为1名，且主要探讨了急停起跳这一前交叉韧带高危动作，后续研究还需考虑增加样本量以及测试动作，更全面了解前交叉韧带重建患者术后的膝关节力学特征；其次，研究重点探讨了前交叉韧带重建患者健患侧膝关节的应力变化，后期研究还可以考虑与健康人群在同等条件下的应力特征进行对比。
结论：前交叉韧带重建患者健侧出现前交叉韧带损伤风险较患侧前交叉韧带移植物二次损伤风险可能更大。此外，患侧膝关节股骨软骨和半月板产生较高应力，这可能会加快膝关节骨性关节炎的发展。该研究结果针对前交叉韧带重建患者在进行康复训练时，不仅需关注患侧的康复训练，健侧异常的运动模式和代偿反应亦不容忽视，同时有限元分析得到的峰值应力集中点还可为关节镜下半月板切割术提供参考。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

前交叉韧带重建后急停起跳过程中膝关节应力的有限元分析

Finite element analysis of knee joint stress in stop-jump maneuvers after anterior cruciate ligament reconstruction

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