前交叉韧带生物力学止点重建的解剖学与有限元分析

Anatomical and finite element analysis of anterior cruciate ligament reconstruction within biomechanical insertion

张家豪 , ^{任爽

,
^{邵嘉艺

,
^{牛星跃

,
^{胡晓青

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敖英芳

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张家豪

北京大学第三医院运动医学研究所,北京市运动医学关节伤病重点实验室, 北京 100191, Beijing Key Laboratory of Sports Injuries, Beijing 100191, China

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胡晓青

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敖英芳

北京大学第三医院运动医学研究所,北京市运动医学关节伤病重点实验室, 北京 100191, Beijing Key Laboratory of Sports Injuries, Beijing 100191, China 北京大学第三医院运动医学研究所,北京市运动医学关节伤病重点实验室, 北京 100191, Beijing Key Laboratory of Sports Injuries, Beijing 100191, China A, anterior cruciate ligament(ACL)tibial insertion extent; B, width measurement of midsubstance of ACL tibial insertion with vernier caliper; a , the anterior-posterior diameter of ACL tibial insertion; b , the width of midsubstance of ACL tibial insertion; c , the width of anterior margin of ACL tibial insertion.

1.2. 有限元分析

本研究扫描利用正常膝关节的三维薄层核磁影像(MR 0.7 mm×0.6 mm×0.7 mm, 分辨率256×256,medic3d sag fs),利用三维重建软件MIMICS建立膝关节三维模型, 进而通过有限元分析软件ANSYS建立人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带,通过布尔(boolean)操作建立韧带与其骨上的附着点的固定连接。前交叉韧带的主要作用之一是限制胫骨前移、轴移 ^{[

15

]} ,因此本研究模拟临床体格检查Lachman试验和pivot-shift试验,并分析股骨和胫骨上ACL止点的应力分布特点。Lachman试验加载条件:股骨近端和中端节点完全固定,胫骨与腓骨设置为绑定接触,限制胫骨与腓骨的屈伸运动,胫骨近端施加134 N的前向力;pivot-shift试验加载条件:股骨近端和中端节点完全固定,胫骨与腓骨设置绑定相对固定,胫骨施加外翻力矩10 Nm和内旋力矩5 Nm,限制胫骨和腓骨的屈伸运动。骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poission ratio)为0.36;韧带组织的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4 ^{[

16

]} 。通过ANSYS软件求解,并分析胫骨和股骨上的ACL止点的应力分布特点。

2. 结果

2.1. ACL胫骨止点解剖大体观

ACL胫骨止点大体观呈扁长的弧形,未见明显分束,其致密纤维沿内侧髁间嵴向前走行,跨过外侧半月板前角止点并止于其前方,其前缘可触及骨性标志前嵴( 图1 )。测量所得ACL胫骨止点前后径为(13.8±2.0) mm,体部左右径为(5.3±0.6) mm,前缘左右径为(11.5±1.2) mm。

2.2. 有限元分析结果

Lachman试验和pivot-shift实验时的胫骨和股骨端的ACL止点的应力分布见图2 和图3 ,股骨端应力较高区域为住院医师嵴(residents’ ridge)附近类椭圆形区域,胫骨端应力较高部分延内侧髁间嵴(medial intercondylar ridge)呈狭长分布,与解剖观察相符合,从理论上验证了ACL止点的生物力学分布特点。

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Lachman试验时股骨(A)和胫骨(B)端的von Mises应力分布

von Mises stress distribution on the femoral side (A) and tibial side (B)with Lachman test

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Pivot-shift试验时股骨(A)和胫骨(B)端的von Mises应力分布

von Mises stress distribution on the femoral side (A)and tibial side (B)with pivot-shift test

3. 讨论

3.1. ACL胫骨止点解剖及有限元分析

国际上关于ACL胫骨止点的新近解剖研究显示其止点分为直接止点和间接止点。直接止点呈一“C”形,平均长(12.6±2.3) mm,宽(3.3±0.4) mm,平均面积是(31.4±7.2) mm ² 。间接止点由扇形纤维构成,平均面积是(79.6±12.7) mm ² ,直接止点和间接止点共同构成一“鸭脚形” ^{[

4

]} 。尤田等 ^{[

6

]} 对国内成人ACL胫骨止点进行解剖学研究发现胫骨直接止点呈弧形,起自内侧髁间棘外侧面,止于外侧半月板前角前方,宽度为(11.2±2.4) mm,厚度为(3.0±0.3) mm,横断面积为(28.8±7.8) mm ² 。完整胫骨止点左右径为(9.5±1.8) mm,前后径为(11.9±0.6) mm,横断面积为(117.8±12.5) mm ² 。本研究观察到的ACL胫骨止点形态与上述研究描述的直接止点基本一致,其间接止点覆盖部位纤维稀疏。ACL胫骨止点与外侧半月板前角关系密切,传统ACL重建时易造成医源性损伤 ^{[

17

]} ,而在直接止点重建ACL理论上可以避免对外侧半月板前角造成损伤。本研究仅对胫骨止点进行了解剖研究,对于股骨止点形态类似椭圆形的争议相对较小 ^{[

7

]} ,且本课题组先前通过对30例甲醛溶液处理的成人膝关节标本进行过股骨止点形态观察 ^{[

18

]} 。

股骨与胫骨的生物力学止点理论上为主要承受膝关节前移和旋转力量的力学止点。为了验证这一猜想,本研究利用有限元分析软件建立了膝关节模型,并给予其前向(134 N)和外翻位旋转(外翻力矩10 Nm,内旋力矩5 Nm)的应力,应力分布求解发现其力学集中部位与解剖观察一致,这可能为临床ACL 重建带来新的思考与技术创新。本研究模型基于三维MRI影像,韧带与骨组织均具有较高的几何相似性。有限元分析的不足之处为本研究对骨和韧带均采取了线弹性材料模型进行简化,且模型中不包括关节软骨和半月板,有待进一步深入研究。然而,考虑到本研究模拟的试验为Lachman和pivot-shift试验,其中ACL在限制胫骨前移中承担了87%的力 ^{[

15

]} ,且本研究的目的是分析股骨和胫骨上的ACL止点的应力集中区域(ACL的生物力学止点),因此,该简化对研究结果的影响暂可忽略。

3.2. 生物力学止点重建理念

基于最新的解剖研究及有限元分析结果,本研究提出将胫骨骨道改良为扁长的圆矩形,股骨骨道保留椭圆形的生物力学止点重建(biomechanical insertion reconstruction,BIR)理念,骨道口截面示意图如图4 所示,假设传统圆骨道和改良后的骨道与移植物完全匹配,则两骨道截面积相等,因此可以利用面积公式计算调整理论值。假设 D 代表圆骨道直径, Maj 代表骨道长径, Min 代表短径,根据面积公式 S _圆形 = π ${(\frac{D}{2})}^{2}$ , S _圆矩形 = π ${(\frac{Min}{2})}^{2}$ +( Maj - Min )× Min , S _椭圆形 = π $(\frac{Maj \times Min}{4})$ ,可分别计算出胫骨骨道长短径与圆骨道直径的关系 Maj = $\frac{π (D^{2} - Mi n^{2})}{4 Min}$ + Min ,股骨骨道长短径与椭圆骨道直径的关系 D ² = Maj × Min ,可将其制作成规范化数据表格以供术中参考。

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骨道口截面示意图

Sectional sketch view of bone tunnel

A,sectional view of round bone tunnel; B, sectional view of rounded-rectangle tibial tunnel of ACL-BIR; C, sectional view of oval femoral tunnel of ACL-BIR.

Tensho等 ^{[

19

]} 通过对12对膝关节标本进行解剖研究发现ACL胫骨止点前内界可以前嵴与内侧髁间嵴构成的“L”型嵴标准为参考,外侧界可以外侧半月板前角为参照,ACL-BIR理念中胫骨圆矩形骨道即以前嵴和内侧髁间嵴构成的反“L” 型嵴作为定位骨性标志,为防止个体变异情况,同时可参照与外侧半月板前角游离缘的关系及 PCL前方纤维距离确认。进行胫骨骨道定位并钻取骨道时,依据患者ACL胫骨止点范围及移植物直径选取较小直径骨道钻,例如移植物直径为8 mm时,一般对应直径5 mm的骨钻,依术中患者ACL胫骨止点形态而定,止点越狭长则选择越小直径骨道钻。待钻透骨道,再用骨道锉依据圆矩形骨道调整理论值,并调整骨隧道口为圆矩形,调整深度为10 mm,不影响远端固定,术中利用镜下比例尺辅助测量以达到标准化。胫骨骨道定位以胫骨前嵴和内侧髁间嵴为骨性标志,分别界定胫骨骨道的前界和内侧界,可提高胫骨骨道定位的准确性和可重复性,保证重建ACL的力学止点方向,最有效地发挥重建ACL的生物力学作用。利用骨道锉作为骨道调整工具,一方面可以降低骨道内壁破裂的风险,另一方面非骨道扩孔模具式一锤定音,在理论值基础上可以选择性对骨道长轴进行逐步调整,满足了个性化力学止点重建的需要。

股骨骨道定位可通过前内侧入路(anterior medial portal, AMP)或经胫骨隧道(transtibial, TT)实现,可结合住院医师嵴及ACL股骨止点残端与外髁软骨后缘距离,通常在钟表十或十二点钟的位置,骨道钻取后的后壁厚度是 12 mm。一般用6 mm股骨骨道定位器定位股骨骨道,射频标记定位点,穿透导针,4.5 mm空心钻钻透股骨外侧皮质,测量股骨端细骨道长度。依据患者ACL股骨止点范围及移植物直径选取较小直径空心钻,但股骨止点不及胫骨止点狭长,因此不必要制备长短径比较大的骨道。例如移植物直径为8 mm时,一般为直径6 mm的骨钻,钻取粗骨道,再用骨道锉依据椭圆骨道调整理论值,调整骨隧道口为椭圆形,调整深度为10 mm,不影响远端固定术中亦利用镜下比例尺测量辅助达到标准化。

综上所述,本研究解剖观察及有限元分析均证实ACL胫骨止点为一扁长的弧形,理想的ACL重建技术应依据其生物力学特点进行重建。ACL-BIR理念通过模拟ACL生物力学止点形态,进而改变移植物整体形态发挥最大生物力学作用,使移植物生物力学特性更接近于原有ACL,为临床ACL重建提供一种全新的思路,具备较好的临床应用前景。

(本文编辑:王蕾)

Biography

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敖英芳,教授,主任医师,博士生导师,北京大学运动医学研究所所长,北京大学第三医院崇礼院区院长。曾任北京大学党委副书记、北京大学医学部党委书记、北京大学第三医院副院长。

中华医学会第二十五届理事会常务理事,中国体育科学学会副理事长,中华医学会运动医疗分会前任主任委员,中华医学会骨科分会委员、全国关节镜学组组长,中国体育科学学会运动医学分会副主任委员,中国医师协会内镜医师分会副会长,亚洲关节镜学会前任主席,亚洲关节软骨修复学会创始人之一,国际关节软骨修复学会-中国部(ICRS-CHINA)创始人兼主席。《中国微创外科杂志》《中国骨伤杂志》《中国运动医学杂志》副主编。

Funding Statement

北京大学临床科学家计划专项(BMU2019LCKXJ008)-中央高校基本科研业务费和北京大学第三医院院临床重点项目(BYSY2018005)

Supported by the Fundamental Research funds for the Central Universities: Peking University Clinical Scientist Program(BMU2019LCKXJ008), and Grant from the Major Clinical Project of Peking University Third Hospital(BYSY2018005)

References

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前交叉韧带生物力学止点重建的解剖学与有限元分析

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张 家豪

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胡 晓青

敖 英芳

1.2. 有限元分析

2. 结果

2.1. ACL胫骨止点解剖大体观

2.2. 有限元分析结果

3. 讨论

3.1. ACL胫骨止点解剖及有限元分析

3.2. 生物力学止点重建理念

Biography

Funding Statement

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