膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.29.008

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (29): 4629-4633.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.29.008

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膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析

金哲峰¹，刘爱峰¹，王平¹，张君涛¹，李远栋¹，张超¹，刘世珑¹，王志强²

1天津中医药大学第一附属医院骨伤科，天津市 300193；
2天津中医药大学研究生院，天津市 300193

出版日期:2015-07-09 发布日期:2015-07-09
通讯作者: 王志强，硕士，医师，天津中医药大学研究生院，天津市 300193
作者简介:金哲峰，男，1979年生，内蒙古自治区通辽市人，朝鲜族，2008年中国中医科学院毕业，硕士，主治医师，主要从事骨科生物力学及细胞分子生物学的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81102607)

A biomechanical model of knee osteoarthritis and stress characteristics on the cartilage surface

Jin Zhe-feng¹, Liu Ai-feng¹, Wang Ping¹, Zhang Jun-tao¹, Li Yuan-dong¹, Zhang Chao¹, Liu Shi-long¹,Wang Zhi-qiang²

1Department of Orthopedics and Traumatology, First Affiliated Hospital of Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China;
2School of Graduate, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China

Online:2015-07-09 Published:2015-07-09
Contact: Wang Zhi-qiang, Master, Physician, School of Graduate, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China
About author:Jin Zhe-feng, Master, Attending physician, Department of Orthopedics and Traumatology, First Affiliated Hospital of Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81102607

摘要/Abstract

摘要：

背景：膝关节骨性关节炎主要以软骨退变，骨质增生进而影响到关节周围软组织致关节疼痛，负重后加重以及后期致关节变形的慢性疾病。
目的：实验收集膝关节骨性关节炎患者及正常人的膝关节影像学参数，再先后导入各种软件建立模型，然后在模型上模拟膝关节下蹲动作，并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据，并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。
方法：收集膝关节骨性关节炎患者及正常人各30例，通过影像学CT，MRI检查获得数据，将得到的数据通过Mimics软件、Simpleware软件分析后建立模型，通过模型获得膝关节软骨应力相关数据，最后进行膝关节骨性关节炎患者与正常人数据的对比分析，分析总结得出膝关节骨性关节炎患者关节软骨的应力特点。
结果与结论：膝关节骨性关节炎患者从站立到下蹲过程中膝软骨表面应力一般呈现非线性递增趋势。膝关节骨性关节炎患者下蹲过程中膝软骨表面中间外侧应力应力高于正常人体组(P < 0.05)，而其下蹲过程中膝软骨表面靠近远端应力及前后侧应力与正常人相比差异无显著性意义(P > 0.05)。结果证实，成功建立膝关节骨性关节炎肌骨模型和有限元模型，建立的模型更接近真实膝关节的运动特征，通过模型为膝关节骨性关节炎疾病提供膝部组织定量的生物力学数据。

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: 组织构建, 软骨组织工程, 膝关节骨性关节炎, 生物力学模型, 软骨应力特征, 有限元, 三维运动捕捉系统, 肌骨模型, 表面肌电图, 人体物理机械特性建立软件, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Knee osteoarthritis is a chronic disease characterized as cartilage degeneration and hyperostosis to impact the soft tissues around the joints, thereby resulting in joint pain, and it can be aggravated and lead to joint deformity after weight-bearing.
OBJECTIVE: On the basis of imaging parameters of knee osteoarthritis patients and normal controls, a model was established. And then, knee squatting movement was simulated on the model and stress data from the cartilage surface of patients and normal controls were collected and compared, thereby to obtain the stress characteristics of the cartilage surface in knee osteoarthritis patients.
METHODS: There were 30 knee osteoarthritis patients and 30 healthy volunteers in the study. CT and MRI data from these participants were collected and analyzed using Mimics software and simpleware software to establish a model. Based on this model, cartilage-related stress data were harvested from knee osteoarthritis patients and
healthy volunteers and compared to summarize the stress characteristics of the articular cartilage in patients with knee osteoarthritis.
RESULTS AND CONCLUSION: In knee osteoarthritis patients, the stress on the cartilage surface from standing to squatting was increased in a nonlinear manner. During the process of squatting, the mediolateral stress was higher in the knee osteoarthritis patients than healthy controls (P < 0.05); however, there was no difference in the proximodistal and anteroposterior cartilage surface stress between the two groups (P > 0.05). These findings indicate that the knee osteoarthritis musculoskeletal model and finite element model are established successfully, and these models are closer to the real motion characteristics of the knee joints, based on which, quantitative biomechanical data of the knee can be provided for knee osteoarthritis treatment.

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

中图分类号:

R318

金哲峰，刘爱峰，王平，张君涛，李远栋，张超，刘世珑，王志强. 膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(29): 4629-4633.

Jin Zhe-feng, Liu Ai-feng, Wang Ping, Zhang Jun-tao, Li Yuan-dong, Zhang Chao, Liu Shi-long,Wang Zhi-qiang. A biomechanical model of knee osteoarthritis and stress characteristics on the cartilage surface [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(29): 4629-4633.

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引言

自从Bresler和Frankel在20世纪中期建立的人膝关节生物力学模型以来，人体膝关节模型的模型得到了快速发展^[1]。目前膝关节模型可分为物理模型、生物力学模型、有限元模型3种^[2]，物理模型是一种虚拟模型，是将膝关节股骨和胫骨的运动关节模拟为交叉四连杆结构^[3]，这种模型仅仅模拟了膝关节的骨骼和韧带等一部分结构，大部分实验研究中，用物理模型来确定膝关节的机械响应特性^[4]，由于其局限性，在现代研究中已很少运用。
生物力学模型则是满足一些诸如平衡方程等的物理定理，并且由一组数学关系式组成的模型，分为现象模型和解剖模型两种。现象模型只是对真实膝关节的简化，没有考虑其真实复杂的几何结构和一些基本性能；解剖模型是基于临床医学而对膝关节解剖之后得到的模型，解剖模型主要是用来确定膝关节的一些张力、关节之间的接触力和由肌肉收缩或拉伸而产生的力，但很多该模型是假设骨为刚性的，因而使该模型的实际应用受到制约，其仍是一种理想化的模型，有其局限性。
膝关节有限元模型是基于有限元素法建立的可以对模型的各个组成部分赋予材料属性、施加边界条件和设定工况并可进行相关分析的三维模型。随着现代计算机技术的发展，有限元软件逐步完善，并成为现阶段研究膝关节的方法，它将CT或MRI得到的连续骨骼断层图像输入计算机，经图像处理后，在计算机中建立三维结构。这样就能更加真实、形象地再现膝关节中各组织的空间结构，有限元模型不但可以对膝关节活动^[5-6]，韧带力量以及各骨骼之间的接触面积或接触力进行分析[7]，而且在膝关节疾病中可以为诊断、手术计划的制定、力学分析及研究等提供有效的信息。有限元分析的优势主要有：有限元技术可通过建立模型并对该模型附加各种力的作用，使其更接近真实的物理环境；有限元的模型建立后便可以在计算机中反复的进行试验，节省成本且不存在试验的样本差异影响到实验结果的困扰；数据源便于采集、建立几何模型，使试验的结果更具有可靠性与参考性。
在研究过程中，软骨的退行性改变与膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis，KOA)发病的关系已得到人们的关注，但随着人们对膝骨性关节炎研究的进展，软骨下骨成为当前本病又一研究热点。学者们通过研究发现，除软骨以外，软骨下骨作为治疗膝骨性关节炎的靶组织也是一种合理的选择^[8]。人们从不同研究方向对软骨下骨与膝骨性关节炎发病的关系做了细致的研究。他们从软骨下骨的解剖开始，对其结构及力学改变进行分析^[9]，还有学者认为软骨下骨骨质疏松以及其微细结构的改变发生的软骨下骨的骨重塑对膝骨关节炎的影响较大^[10-12]，在微观上，人们从软骨下骨的分子生物学及细胞的通路也证实了软骨下骨对膝骨性关节炎有明显影响^[13-16]，因此在今后膝骨性关节炎的研究中，软骨下骨与软骨将得到同样的重视。
实验在前期研究成果的基础上，以膝关节骨性关节炎及正常人作为研究对象获得膝关节的影像学参数，再先后导入各种软件建立模型，然后在模型上模拟膝关节下蹲动作，并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据，并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。

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

设计：生物力学，影像学，计算机模拟模型实验。
时间及地点：于2013年9月至2014年6月在天津中医药大学第一附属医院完成。
对象：选择来自天津中医药大学第一附属医院骨伤科的健康志愿者和膝骨性关节炎患者各30例。
健康志愿者纳入标准：工作、生活稳定，自愿配合观察的健康者。
健康志愿者排除标准：年龄>75岁，孕妇或哺乳期妇女。
膝骨性关节炎诊断标准：参照美国风湿病学院(AOR)制定的膝骨性关节炎诊断标准[17]。
膝骨性关节炎患者X射线片分级标准：Ahlback(1968)按膝X射线片的表现将膝骨性关节炎依其严重程度分为5级[18]。
膝骨性关节炎患者纳入标准：①符合上述诊断标准。②Ahlback膝X射线片分级1-3级者。③工作、生活稳定，自愿配合观察者。
膝骨性关节炎患者排除标准：①关节严重畸形，中度以上肿胀及Ahlback膝X射线片分级4级以上者。②年龄>75岁，孕妇或哺乳期妇女，对外用药物过敏者。③合并心、肝、肾和造血系统等严重疾病及精神疾病患者。

膝骨性关节炎生物力学模型构建实验相关主要仪器：
医学图像采集设备	美国Ge Lightspeedl6排多层螺旋CT；德国simens Avanto 1.5T磁共振仪
三维运动捕获系统	NDI Optotrak Certus；表面肌电仪：Bortec Biomedical Ltd 生产的AMT-8
模型构建软件	AnyBody Modeling System 人体建模仿真系统(AnyBody TechnologyInc，Aalborg，Denmark)；Simpleware 三维建模软件；Matlab 软件；ANSYS软件

方法：
图像采集：①对膝部行CT和MRI扫描。②采集数据结果。③将DICOM格式数据导入Simpleware三维建模软件进行建模。④将Simpleware建好的模型导入AnyBody Modeling System。⑤用NDI Optotrak Certus三维运动捕捉系统采集膝部的三维运动轨迹。⑥建立基于AnyBody软件膝KOA肌骨模型。⑦采集膝部表面肌电。
模型验证：分别运用sEMG对健康和膝骨性关节炎有限元模型行相互验证。以下是参与者(膝骨性关节炎患者及正常人)模型建立的技术线路图。见图1。

主要观察指标：主要观察膝骨性关节炎及正常人下蹲动作过程中膝软骨表面中间外侧应力、膝软骨表面靠近远端应力、膝软骨表面前后侧应力。
统计学分析：采用SPSS 18.0软件对各组数据进行统计分析，计量资料采用x±s表示，采用两独立样本秩和检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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A biomechanical model of knee osteoarthritis and stress characteristics on the cartilage surface

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