穿骨道与带线锚钉固定重建内侧髌股韧带的三维有限元分析

doi:10.12307/2024.096

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (24): 3796-3800.doi: 10.12307/2024.096

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

穿骨道与带线锚钉固定重建内侧髌股韧带的三维有限元分析

赵改1，2，刘嶺俊2，殷浩2，宁仁德2，徐斌1

1安徽医科大学第一附属医院骨科，安徽省合肥市 230022；2安徽医科大学第三附属医院骨科，安徽省合肥市 230061

收稿日期:2023-05-08 接受日期:2023-07-04 出版日期:2024-08-28 发布日期:2023-11-20
通讯作者: 徐斌，主任医师，教授，博士生导师，安徽医科大学第一附属医院骨科，安徽省合肥市 230022
作者简介:赵改，男，1985年生，安徽省肥东县人，在读硕士，副主任医师，主要从事运动医学及复杂创伤方面的研究。
基金资助:
安徽省自然科学基金项目(18080985MH243)，项目负责人：徐斌

Three-dimensional finite element analysis of medial patellofemoral ligament reconstruction with transosseous and wire anchor fixation

Zhao Gai1, 2, Liu Lingjun2, Yin Hao2, Ning Rende2, Xu Bin1

1Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, Anhui Province, China; 2Department of Orthopedics, Third Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230061, Anhui Province, China

Received:2023-05-08 Accepted:2023-07-04 Online:2024-08-28 Published:2023-11-20
Contact: Xu Bin, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, Anhui Province, China
About author:Zhao Gai, Master candidate, Associate chief physician, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, Anhui Province, China; Department of Orthopedics, Third Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230061, Anhui Province, China
Supported by:
Anhui Natural Science Foundation Project, No. 18080985MH243 (to XB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

髌骨脱位：指髌骨在活动过程中脱出股骨滑车凹，髌骨关节面和股骨滑车关节面对合发生异常的现象。其在所有膝关节疾病中的发病率约占3%，大多数发生于青少年，女性多于男性。髌骨脱位发病原因较多，如内侧支持带松弛、髌骨发育畸形、股骨滑车发育不良、多发性韧带松弛等，根本原因是髌股关节在屈伸活动中所处的异常力学环境所致。
内侧髌股韧带重建：一般是采用自体或异体肌腱分别在内侧髌股韧带的髌骨足印区和股骨止点进行固定，是纠正髌骨脱位的基础术式，其目的在于恢复髌股关节的对合关系和动态稳定性。还可根据髌骨脱位的类型及程度，配合髌骨外侧支持带松解、胫骨结节移位和髌骨滑车成形等术式进行综合治疗。

背景：内侧髌股韧带重建是治疗髌骨脱位的主要和基础治疗方法，一般是采用自体或异体肌腱分别在内侧髌股韧带的髌骨足印区和股骨止点进行固定，其有多种固定方式。髌骨侧止点固定方式较为多样，主要有传统经骨道和近年来的锚钉固定法，包括单隧道、双隧道穿骨固定和2枚带线锚钉固定等方式，但何种固定方式更能减少髌股关节应力及更符合生物力学尚无定论。

目的：观察单隧道穿骨道与带线锚钉2种髌骨端固定方式重建内侧髌股韧带对髌股关节和内侧髌股韧带力学的影响。
方法：建立膝关节三维有限元模型，髌骨侧行单隧道穿骨道或髌骨内侧缘2枚带线锚钉固定重建内侧髌股韧带，股骨侧均用挤压钉固定于股骨内上髁和内收肌结节中点，观察膝关节在屈曲0°，30°，60°，90°，120°时，2种固定方法对髌股关节及内侧髌股韧带的应力影响。

结果与结论：①无论种哪固定方式，膝关节屈曲0°-60°时，髌股关节的应力较大，在30°时达到高峰，90°，120°逐渐减小；2种固定方式对髌股关节的应力差异较小；②内侧髌股韧带上的应力均在30°位最大，60°位后明显减少，且在各角度锚钉固定时内侧髌股韧带上应力均明显大于穿骨固定方式；③结果显示，2种固定方式对髌股关节应力的影响差距不大，但锚钉固定时内侧髌股韧带上应力明显大于穿骨固定。

https://orcid.org/0009-0008-9650-5180 (赵改)

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: 髌骨脱位, 内侧髌股韧带, 三维重建, 应力, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Reconstruction of the medial patellofemoral ligament is the primary and basic treatment for patellofemoral dislocation. Generally, autologous or allogeneic tendons are used to fix the patellofemoral podogram area and the femoral insertion, respectively. There are various fixation methods. Patellar lateral insertion fixation methods are relatively diverse, mainly traditional transosseous fixation and recent anchoring methods, including single tunnel, double-tunnel transosseous fixation, and two-wire anchor fixation. However, which fixation method is more effective in reducing patellofemoral joint stress and is more biomechanical has not been determined.
OBJECTIVE: To observe the mechanical effects of patellofemoral joint and medial patellofemoral ligament reconstruction with transosseous and wire anchor fixation.
METHODS: A three-dimensional finite element model of the knee joint was constructed. The medial patellofemoral ligament was reconstructed by a single tunnel through the bony canal or two wire anchors at the medial edge of the patella. The femoral side was fixed by extrusion nails to the medial epicondyle of the femur and the midpoint of the adductor tubercle. We observed the effects of the two fixation methods on patellofemoral joint and medial patellofemoral ligament loading during knee flexion at 0°, 30°, 60°, 90°, and 120°.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress on the patellofemoral joint was large when the knee was at flexion of 0-60°, peaked at 30°, and gradually decreased at 90° and 120°. The two fixation methods had little difference in the stress on the patellofemoral joint. (2) The stress on the medial patellofemoral ligament peaked at 30° and decreased significantly at 60°, and the load on the medial patellofemoral ligament was significantly greater at all angles with anchor fixation than with bony canal fixation. (3) The results showed that there was no significant difference in patellofemoral joint loading between the two fixation methods, but the stress on the medial patellofemoral ligament in anchoring was significantly greater than that in transosseous fixation.

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

中图分类号:

赵改, 刘嶺俊, 殷浩, 宁仁德, 徐斌. 穿骨道与带线锚钉固定重建内侧髌股韧带的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(24): 3796-3800.

Zhao Gai, Liu Lingjun, Yin Hao, Ning Rende, Xu Bin. Three-dimensional finite element analysis of medial patellofemoral ligament reconstruction with transosseous and wire anchor fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(24): 3796-3800.

图/表（结果） 2

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引言

髌骨脱位是指当创伤、先天性或后天性疾病使髌骨周围结构平衡受到破坏时．髌骨偏离正常位置，髌骨关节面与股骨髁关节面对合关系发生异常，尤以外侧外脱位常见[1-2]。所有膝关节损伤中，髌骨脱位的发病率为2%-3%，16岁以下发病率为43/10 000，好发于运动的青少年和青年女性人群[3-5]。髌骨的稳定性依靠髌骨及股骨髁的几何形状，周围韧带的静力性平衡和股四头肌内外侧力量的动力性平衡。由于生理性Q角的存在，膝关节在轻度屈曲时，髌骨有向外移动的趋势，而内侧髌股韧带(medial patellafemoral ligament，MPFL)和股内侧斜肌分别提供髌骨外移的静力性和动力性阻滞力。MPFL是防止髌骨外脱位最重要的韧带，占总内侧阻滞力的53%-60%，在急性髌骨脱位者可有94%的病例出现MPFL撕裂[6-7]。当前稳定髌股关系结构的手术方式繁多，但MPFL重建是基础治疗，早在1992年ELLERA GOMES[8]就采用关节镜下穿骨固定重建MPFL治疗髌骨脱位。另外根据病情需要可增加髌骨外侧支持带松解、股外侧肌腱切断延长、胫骨结节近端移位等[9-10]。
MPFL重建有多种手术固定方式，股骨止点意见较为统一，多采用挤压钉固定于股骨内上髁和内收肌结节中点，以期恢复MPFL在膝关节屈伸过程中的等长性，防止固定失效。生物力学研究也表明，在此点固定能明显减少膝关节屈伸过程中髌股关节上应力[11]。而髌骨止点固定方式较多，主要有单隧道、双隧道穿骨道固定和带线锚钉固定方式[12]。而不同重建固定方法可能对髌股关节内应力产生不同影响，应力分布不均特别局部应力过大，可能产生髌股轨迹不良、活动疼痛、软骨过度磨损导致髌股关节过早退变等[13-14]。单隧道穿骨道固定相对操作简便，对髌骨干扰较小，故在临床应用较多。双带线锚钉更能覆盖MPFL的髌骨足印区，模拟正常MPFL生理功能，也在临床广泛应用。此文通过建立膝关节三维有限元模型，模拟膝关节屈伸过程，观察单隧道穿骨道与带线锚钉2种常见髌骨端固定方式重建内侧髌股韧带对髌股关节和内侧髌股韧带应力的影响。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 设计三维有限元生物力学实验。
1.2 时间及地点实验于2022年10月至2023年4月在安徽医科大学第三附属医院实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 设备 128排螺旋CT(美国GE公司)；Thinkpad笔记本电脑1台，Windows 10 操作系统。
1.3.2 软件 Mimics 19.0 软件(比利时 Materialise公司)，Geomagic Studio 2020(美国Geomagic公司)，Hypermesh 15.0 (美国Altair公司)，Abaqus 6.13(Dassault Systèmes，法国)。
1.3.3 内固定材料带线金属锚钉5.0 mm直径(美国Johnson & Johnson公司)。
1.4 对象健康男性志愿者1名，35岁，身高175 cm，体质量67 kg，排除下肢畸形、骨质疏松、既往骨折和肿瘤等病史，告知实验过程并签订知情同意书。此次研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和安徽医科大学第三附属医院的相关伦理要求。
对志愿者仰卧位下肢中立位行膝关节 CT 薄层扫描，扫描范围包括膝关节上下各 15 cm，扫描参数：厚度、电压、电流为1 mm，120 kV和300 mA，图片像素矩阵密度大小为512×512，图像资料以DICOM 格式保存，光盘刻录。
1.5 方法

1.5.1 建立膝关节实体模型在Mimics 19.0 软件中读取以DICOM格式存储的扫描数据，用于重建三维关节骨结构。利用Mimics对骨质部分通过阈值划分选取，并在3D视图中进行Smoothing优化，生成骨骼三维点云模型，见图1，以txt格式导入 Geomagic studio 2020软件中，去除表面异状物、空洞及异常体征，光滑骨面，手动划分区域并对各组织结构进行网格化，构建精确曲面，经栅格化后，形成Nurbs曲面，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IGES文件输出，然后将数据导入Hypermesh 15.0软件，以1.5 mm为参考生成解剖部位的有限元模型。

1.5.2 模型中韧带的添加及骨骼的装配利用螺旋CT的容积效应，按照原点进行组装，去除与此次实验无关的腓骨，最终完成股骨、髌骨及胫骨的三维有限元模型，见图2。软骨和韧带中含水量要远高于骨，通过灰度值识别法对其进行建模，包括添加股四头肌、髌韧带、内外侧支持带等。

MPFL的建立：单隧道固定参照赵金忠[15]的方法，由髌内后方斜向外上方钻骨道，穿出髌骨前方，引入自体肌腱，两端对齐后固定于股骨内上髁和内收肌结节中点处。

双锚钉法：在锚钉固定于髌骨内侧中点及上1/3止点处分别设定共节点单元，模拟手术置入2枚5.0锚钉，将肌腱缝合固定于髌骨内侧韧带足印区，股骨端固定方式同穿骨道法。沿股骨通髁线进行旋转股骨部分，构建膝关节屈曲0°， 30°，60°，90° 及 120° 各韧带重建模型，见图3。

1.5.3 膝关节各部件的赋值设置参照文献[16]在 Abaqus 6.13 有限元分析软件中，设置骨骼的弹性模量为14 357 MPa，泊松比0.3；软骨的弹性模量为109 MPa，泊松比为0.19；韧带的弹性模量472 MPa，泊松比0.3。

1.5.4 载荷和边界条件将股骨与软骨、髌骨与软骨、半月板与胫骨软骨、韧带两端设定为共节点单元。髌骨软骨-股骨软骨之间设定为面面硬接触，摩擦系数为0.1。模拟正常髌股关节生理运动状态，约束膝关节各个平动自由度和冠状面、水平面的旋转自由度，仅保留矢状面的旋转。参照GROOD等[17]的研究结果，股四头肌在无负载伸膝、大腿固定从膝关节屈曲 120°到完全伸直过程中，股四头肌向心收缩方向维持约200 N，对股四头肌向近端进行三维向量分解加载，见图4。

1.6 主要观察指标膝关节屈曲 0°，30°，60°，90°，120°时2种髌骨止点固定方式重建MPFL后髌股关节上及MPFL上的最大Von Mises 应力。

讨论

3.1 MPFL重建的重要性由于正常人体下肢生理性Q角的存在，髌骨有向外侧移位的趋势，髌内外侧支持带的平衡是维持髌骨稳定性的重要静力性系统。MPFL位于髌内侧支持带的深层，是内侧支持带的核心构成部分，其在髌骨端足印区位于髌骨内上角和髌骨内缘中点之间，大致宽度为10-30 mm(平均 19 mm)，长度在45-64 mm(平均53 mm)，其髌骨上止点距髌骨上极的平均垂直距离为6.1 mm；下止点在髌骨内缘的中点，距髌骨上极的平均垂直距离为 23.1 mm，是维持髌骨内侧稳定性主要的软组织限制力量[18-19]。膝关节在屈曲、内旋或外翻时，髌骨向外移趋势加大，若MPFL阻滞力弱，髌骨外侧面可越过股骨外髁发生髌骨半脱位或脱位，并可对股骨外髁外缘产生撞击，造成相应部位骨或软骨损伤，出现髌股关节退变加速[20]。
现代内植物的发展使重建MPFL固定方式的可选择性增多，尤其体现在移植肌腱两端的固定方式上。在股骨侧，可使用可吸收挤压螺钉、带袢钢板及无结锚钉等进行固定，其固定牢靠、操作简单[21-22]，但固定的关键在于骨道的定位。在髌骨侧，其固定方式主要包括经骨隧道技术行移植物固定、直接与髌周组织缝合固定以及金属锚钉缝合固定等，经骨道固定方式历史悠久、费用低廉，其中髌骨侧制作骨隧道的方法可分为贯穿髌骨的横形单隧道或双隧道、L型隧道或内侧带线锚钉等[23-24]，且都收到了较好的临床效果。一般认为，骨隧道技术重建 MPFL 髌骨侧具有操作简单、固定可靠、力学强度好、腱骨接触面大、腱骨愈合快等优点，但存在髌骨钻孔后承载力弱可导致髌骨骨折、钉道扩大、腱骨愈合不良等潜在并发症。髌骨内侧双锚钉固定是近年来兴起的固定方式，其操作简单，对髌骨干扰性小，通过锚钉对骨质的铆合力缝合固定移植的肌腱，且能模拟MPFL髌骨足印区的生理性覆盖，长期稳定性不单纯依赖于传统腱骨愈合，其最大的潜在弊端在于局部骨质疏松或者暴力导致的锚钉拔出，但极为罕见，因此在临床上使用广泛。因单隧道穿骨固定及锚钉固定相对操作简单、无需特殊器械，定位准确，在临床中使用普遍。而双隧道及L型隧道相对复杂，术中定位困难，技术要求高。局部髌周组织缝合固定MPFL的固定强度不够，应用较少。故此次研究中对单隧道和锚钉固定这2种最常见固定方式进行比较，具有较好的实用价值。
3.2 不同髌骨端固定方式对髌股关节和MPFL的应力影响此次研究通过建立膝关节的三维有限元模型，施加 200 N 载荷作用下，模拟膝关节屈伸0°，30°，60°，90°，120°下，观察髌骨侧2种不同固定方式重建MPFL时，髌股关节及内侧髌股韧带上的应力。结果表明，无论种哪固定方式，膝关节屈曲0°-60°时，髌股关节的应力较大，在30°时达到高峰，在90°、120°逐渐减小。2种固定方式在髌股关节的应力差异较小，二者比值相差不超过20%，由应力云图可知2种固定方式均可较好地分散应力，未见明显的应力集中现象，这也与文献[16，25]中的研究结果基本一致。
由于MPFL重建是一种静力性结构修复，并没有肌肉组织参与，其移植物固定的初始张力和固定体位对维持髌骨的位置、移植物最终腱骨愈合和生物力学性能的恢复至关重要，因此研究MPFL的固定方式在膝关节屈伸中的应力变化具有重要意义。此次研究表明MPFL上的应力在膝关节屈曲30°位最大，在60°位后明显减少，这也符合人体解剖学，即当膝关节屈曲超过30°时内侧髌股韧带松弛，主要依赖股骨滑车及内外髁限制髌骨外移，其上承受的应力变化不大，故30°时行移植物固定效果较好。在屈曲30°，穿骨固定时MPFL 最大应力为1.019 MPa，而锚钉固定达到4.633 MPa，且无论各角度，锚钉固定时MPFL上应力均2-4倍于穿骨固定方式。作者考虑造成锚钉固定时MPFL上应力远大于穿骨固定这一现象的原因，可能在于穿骨固定时，移植的肌腱在髌骨端的工作长度大于锚钉固定时，其上的载荷经髌骨骨质得到较好的分散，而锚钉固定时较短的肌腱可能产生应力集中现象。既往的研究结果也显示，MPFL最大载荷为208 N，长期过大的应力可能导致移植物松动和腱骨愈合受限，影响长期疗效[26-28]。
3.3 此次研究的临床意义由于在0°和30°位重建的MPFL上负荷较大，提示在固定移植韧带的时候，最好在膝关节屈曲30°位固定，以维持MPFL的初始张力，恢复其等长性，防止由于内侧韧带松弛导致髌骨的偏心固定，导致髌骨脱位纠正不佳。此次研究表明，在膝关节屈伸活动中，髌骨侧行穿骨固定时髌股关节上应力分布较为均匀且MPFL上应力不大，相较锚钉固定更符合生物力学要求。MOUNTNEY等[29]对新鲜尸体进行MPFL重建的结果也显示，与不通过骨隧道的直接缝合或单纯锚钉固定相比，通过骨隧道技术重建MPFL 髌骨侧，固定强度更大，临床效果更好，值得推荐。若MPFL上载荷长期处于较大状态可能会影响移植腱骨的愈合能力，甚至出现锚钉脱落等，影响远期疗效[30-32]。值得注意的是临床上穿骨固定有单隧道、双隧道等诸多方式，但其临床效果无明显差异[33-35]，但双隧道由于多处钻孔，导致局部应力集中，存在膝关节活动中韧带牵拉导致髌骨骨折、韧带失效的可能[36-37]。此次研究初步表明，由髌骨内侧足印区后下斜向前上的经单一隧道的固定方法，其对髌骨局部的力学状态影响有限，没有产生明显的应力集中，与锚钉固定这一不干扰髌骨骨质的固定方式基本一致，提示其良好的生物力学特性。2种固定方式下，髌股关节上的应力相似且都不大，对髌股关节应力的影响差异很小，但锚钉固定时MPFL上应力明显大于穿骨固定，存在移植物松动、影响腱骨愈合的可能。
3.4 此次研究的不足之处有限元分析是运动系统生物力学实验研究方法中较简单、经济、理想化的方法，虽然简洁、方便，但与临床情况存在一定差异[38-39]。由于此次实验建模对象来自健康人体，建模材料属性理想化为均质、各向同性，尚不能代替现实际情况；此次研究仅对膝关节简单屈伸过程中的髌股关节应力进行比较，未探讨人体各种复杂运动状态下，及骨质量、骨强度、肌肉力量、运动速率等的叠加影响，故实验结果仍需大量的生物力学实验和临床实践来验证。不同骨质量、不同术式和完整运动步态下对髌股关节应力的影响是重要的研究目标[40]。虽然MPFL 重建的重要性和临床效果得到大量的临床验证，但髌骨脱位或不稳可由诸多因素造成，任何单一手术方式的效果都难以达到理想状态，结合患者自身情况和医者经验可能是获得理想效果的根本。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

穿骨道与带线锚钉固定重建内侧髌股韧带的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of medial patellofemoral ligament reconstruction with transosseous and wire anchor fixation

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