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股骨髁软骨正常步态下的生物力学及C型骨折术后修复的在体运动学研究

钟华  
【摘要】:关节软骨属于多孔且含水率极高的粘弹性软组织,因其具有减震和较小摩擦系数等独特性能而在人体的关节功能结构中占有特殊的位置和功能作用,由于由于关节软骨运动量大,应力大,容易发生损伤,而且关节软骨缺少血管、依靠关节液获取营养,再生能力差,软骨损伤以后通常不能自行修复。因此,研究关节软骨损伤的运动生物力学机制及动态客观评估软骨修复效果具有重要的科学意义和临床价值。关节软骨损伤与软骨下骨的生物力学环境关系密切。关节软骨由少量软骨细胞与大量软骨细胞外基质组成,基质主要成分是胶原纤维和糖蛋白,从关节表面到骨髓腔,关节软骨的结构可以分成以下四层:表层,移行层,柱状层,钙化层,各层之间结合紧密。局部的压缩和摩擦不断累积可以导致软骨出现骨化,纤维化,裂缝等等慢性损伤;运动损伤或骨折可造成关节软骨不同程度的急性损伤。例如在一个正常步态周期中,站立期,膝关节软骨承受身体轴向压缩重量,在下蹲或身体扭转情况下,膝关节软骨承受轴向压缩和扭转双重作用力,因此,膝关节各部位特别是股骨髁的生物力学环境与膝关节软骨损伤的生物力学机制关系密切。股骨远端C型骨折是一种严重的关节内骨折,随着技术的进步,关节内骨折愈合不再是一个大问题,但如何解剖复位关节面骨折促进软骨损伤修复,最大程度恢复膝关节功能仍是我们不断追求的目标。采用IKDC、Lysholm等评分评定股骨远端骨折患者膝关节功能是有用的,但并不详细而且主观。他们无法评估创伤性骨关节炎,更无法评估膝关节的运动特征。股骨远端骨折患者的创伤性骨关节炎不容忽视。股骨远端C型骨折是一种严重的关节面急性软骨损伤,膝关节急性软骨损伤是指由于急性运动损伤或涉及关节面骨折造成软骨不高程度损伤。MRI是评价软骨损伤修复的最常用客观方法,包括关节软骨移植的MOCART评分和软骨损伤T2mapping技术等等。但MRI存在依靠个人经验,费用昂贵,不能动态观察的缺点。如何通过在体运动学方法,探索急性软骨损伤修复与膝关节运动功能的关系,从而间接、客观、动态评价软骨损伤修复效果,可以指导优化急性软骨损伤诊疗方案,目前国内外研究比较少见。因此,为了探讨运动中膝关节急性软骨损伤和关节内骨折的运动生物力学机制,并深入研究膝关节软骨损伤修复基于步态的六自由度在体运动学评估方法,我们进行了本次研究。我们将研究分成二部分,第一部分:股骨髁软骨正常步态下的运动生物力学研究;第二部分:股骨远端C型骨折术后软骨修复的在体运动学研究。第一部分 股骨髁软骨正常步态下的运动生物力学研究[背景]骨关节的运动生物力学特点与关节内结构损伤的创伤机制关系密切。最大限度模拟正常人体骨关节的运动生物力学环境,可以指导临床制定此类疾病的防治方案。[目的]建立包括股骨髁软骨的膝关节动态有限元生物力学模型,研究膝关节股骨髁软骨在一个步态周期中的运动生物力学特点。[方法和结果]将一例健康成人志愿者膝关节进行64排CT以及3.0T核磁共振3D序列扫描。将扫描获得膝关节DICOM格式数据导入Mimics三维建模软件,运用阈值和区域增长等功能,分别重建出骨组织和软组织的三维解剖模型。骨组织与软组织模型在Mimics软件进行装配,生成包括膝关节股骨髁软骨的三维模型。经处理后生成几何模型。再在SolidWorks软件中建立膝关节三维实体模型,最后在Abaqus有限元分析软件中,分别建立模型各部位材料参数,定义分析类型分别为静力分析和动力显式分析。定义软骨与半月板之间的接触类型为无摩擦接触,其余接触类型均设置为固定连接。设置边界条件和载荷,胫骨模型的下表面设为固定,载荷方面分两种情况:第一种情况是先用集中力的命令在股骨端面施加700N的重力载荷,然后再用弯矩命令施加5N·m的扭转载荷;第二种情况是先用集中力的命令在股骨端面施加700N的重力载荷,然后再用转角命令施加从0°~90°的动态弯曲载荷。最后对模型进行网格划分提交计算。结果提示:建立了一个包括股骨髁软骨及半月板、前后叉韧带、内外侧副韧带等静力性稳定结构的结点数量为67870,单元数量为314211的动态三维有限元模型。在静力和动态二种工况下输出膝关节各部位的应力和位移云图示,在内外侧髁软骨的负重区中部分别有应力集中区域,应力集中区域深入到软骨下骨,应力集中使软骨发生损伤,且软骨面的生物力学特点与软骨下骨密切相关;在动态工况下,随着屈曲角度的增加,内外侧髁负重区的应力集中部位不断往后移动,这提示膝关节屈伸运动幅度和频率会造成关节面应力集中位置往后移动,容易引起深蹲痛;股骨髁骨松质与骨皮质移行的部位及髁间窝处有位移集中区域,这与临床股骨远端骨折C型骨折骨折线好发部位吻合;内外侧髁负重区有位移集中的区域,且随着膝关节屈曲角度的增加,位移集中区域不断向后部移动,和内外侧髁骨折(Hoffa)的好发地区域吻合,且随着屈曲角度加大骨折线可能越靠近后部。分别提取股骨髁软骨滑车区,内、外侧髁区三个区20个最大应力和位移节点数据进行统计分析,在二种工况下股骨髁软骨滑车区、内外侧髁区的节点应力和位移经独立样本T检验差异有统计学意义(P0.05);且应力和位移均值随屈曲角度逐渐增大,动态工况条件下的应力、位移均值基本上大于静力工况条件下的应力、位移均值,这提示膝关节屈伸运动幅度和频率增加会加大软骨损伤。[结论]软骨的运动生物力学特点可以揭示软骨创伤机制,动态有限元分析可以摸拟人体股骨髁软骨在一个正常步态过程中的运动生物力学特点,为防治膝关节软骨损伤类疾病及关节内骨折提供运动生物力学指导。第二部分 股骨远端C型骨折术后软骨修复的在体运动学研究[背景]关节软骨损伤修复的评估最直接的方法是进行关节镜检查,也可以通过MRI等影像学方法来评估,但这些方法都有相应的缺点,不能进行动态评估,探索关节软骨损伤与膝关节运动特征的关系,可以指导防治此类疾病,优化运动方案。[目的]探讨股骨远端C型骨折致急性软骨损伤对膝关节运动的影响。[方法和结果]回顾性分析50例手术治疗股骨远端C型骨折的临床资料。采用股骨远端前外侧入路和股骨远端髁支撑钢板行切开复位内固定术。记录患者的身高、体重、年龄等基线数据。记录膝关节的影像学情况和软骨损伤评估结果。所有受试者术后6个月、1年和2年均行x线检查。分析畸形、骨不连、外伤性软骨损伤等并发症。骨不连是指骨折线在1年内没有消失或模糊。采用MRI Recht评分标准评定创伤性软骨损伤的严重程度。术后取VAS、IKDC、Lysholm评分评定膝关节功能。用量角器测量受试者膝关节活动度。所有受试者均采用新型基于红外导航的步态分析系统(Opti_-Knee、Innomotion Inc.,Shanghai,China)进行测试,并收集膝关节 6DOF运动数据。用Pearson相关分析膝关节功能评分与VAS、IKDC、Lysholm评分及膝关节运动学的关系。统计结果显示,本组50名病例,左膝24(48%)、右膝26(52%),C1型(17例)、C2型(15例)、C3(18例)。平均随访时间40.8±15.1个月,平均年龄21.8±8.1岁,体重指数(BMI)为20.4±4.3kg/m2,平均活动度为132.3±30.8度,VAS评分平均为1.8±2.4分,IKDC评分平均为58.8±13.6分,Lysholm评分平均为90.1±14.2分。所有受试者均经X线平片无骨折线骨折愈合,未发现严重畸形。本研究通过采用MRI检查患者膝关节,其中发现在股骨远端C型骨折患者中,70%的患者(35例)伴有滑车区软骨的损伤(Reht标准),Ⅰ度损伤21例,Ⅱ度损伤7例,Ⅲ度损伤4例,Ⅳ度损伤3例。应用Pearson相关性分析检验,发现股骨滑车区软骨损伤与IKDC评分具有显著的相关性(P0.05),随着滑车区的损伤程度增加,IKDC评分减少。C型股骨远端骨折患者6DOF的步态特征统计分析显示:站立相中期内/外旋转与IKDC和Lysholm评分及膝关节最大ROM呈显著相关(P0.05,负相关);步态的屈伸、脚尖离地期、屈伸的ROM与膝关节最大ROM呈显著相关(P0.05,正相关);前/后平移ROM与膝关节最大ROM呈显著相关(P0.05,正相关);内侧/外侧平移ROM与膝关节最大ROM呈显著正相关(P0.05,P0.05)。本研究通过采用量角器检查患者患膝关节最大屈膝角度,应用Pearson相关性分析检验,发现患者患膝最大屈膝角度与IKDC评分具有显著的相关性(P0.05),随着屈膝角度增加,IKDC评分增加,然而其与VAS和Lysholm评分未见明显差异。[结论]MRI是评估软骨损伤修复的客观方法。滑车区软骨损伤MRI Reht评级与膝关节功能IKDC评分具有显著的相关性(P0.05),膝关节功能可以间接反映软骨损伤修复程度;而且,我们发现膝关节六自由度运动特征与关节功能IKDC评分得分有关,因此,膝关节六自由度运动特征可以间接反映股骨髁软骨损伤修复程度。


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