基于脛骨止點(diǎn)纖維軟骨空間構(gòu)型的前交叉韌帶功能束劃分及力學(xué)分析研究.pdf

1、背景:
　　之前對(duì)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究大多是基于ACL功能束劃分基礎(chǔ)上的，其被劃分為前內(nèi)(anteromedial，AM)和后外(posterolateral，PL)束被廣泛接受。劃分的依據(jù)是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中AM和PL表現(xiàn)出的不同的張力狀態(tài)，以及斜矢狀位及斜冠狀位的磁共振成像（magnetic resonanceimaging，MRI）表現(xiàn)。臨床上，ACL雙束

2、重建的理論基礎(chǔ)即是此前內(nèi)和后外分束。但是，這種劃分仍然存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者在尸體膝關(guān)節(jié)研究中證實(shí)ACL存在三束，另外一些學(xué)者并沒有找到ACL功能束劃分的組織學(xué)依據(jù)。同時(shí)，并不是所有的ACL都能被劃分為這兩束。并且大量的文獻(xiàn)研究證實(shí)ACL的解剖雙束重建的臨床療效并不強(qiáng)于單束重建。
　　ACL經(jīng)過一個(gè)多種組織形成的界面結(jié)構(gòu)插入軟骨下骨，這種界面結(jié)構(gòu)促使軟組織和硬組織更好的連接，并且在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中使生理負(fù)荷更有效地傳遞。ACL脛骨止點(diǎn)由四種

3、明顯不同的組織組成，分別是韌帶，非鈣化纖維軟骨，鈣化纖維軟骨和骨組織。這種存在局部差異性的分為非鈣化組織和鈣化組織的界面使止點(diǎn)的力學(xué)特性逐漸變化，減小了應(yīng)力水平，使從韌帶到骨的力學(xué)負(fù)荷傳遞更有效。非鈣化纖維軟骨越厚，提示更大的剪切或壓縮力。鈣化纖維軟骨的厚度及和骨的接觸程度則和局部拉伸力密切正相關(guān)。對(duì)ACL脛骨止點(diǎn)纖維軟骨分布差異及空間構(gòu)型的深入理解有助于我們進(jìn)一步探討ACL的力學(xué)性質(zhì)。為明確由ACL傳遞到骨的力學(xué)負(fù)荷分布，我們分析AC

4、L脛骨止點(diǎn)纖維軟骨分布的區(qū)域性差異。通過局部非鈣化纖維軟骨的空間構(gòu)型，我們以其做為組織學(xué)依據(jù)間接的將ACL分為不同的功能束。劃分的ACL各功能束需要進(jìn)行解剖位置的定位，本文擬通過數(shù)學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算ACL各功能束的幾何中心，根據(jù)幾何中心的位置來進(jìn)行定位及命名功能束。
　　ACL做為膝關(guān)節(jié)最重要的韌帶之一，許多實(shí)驗(yàn)通過體內(nèi)、體外及數(shù)字模擬的方法來研究它在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及負(fù)荷傳遞方面的功能。因?yàn)锳CL復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)的局限性，有限元（

5、finite element，F(xiàn)E）模型能夠提供ACL許多有用的信息，而這些是很難從實(shí)體研究中獲得的。在以前的研究中，加載了簡(jiǎn)單的負(fù)荷條件來分析ACL在關(guān)節(jié)活動(dòng)中的應(yīng)力分布。但ACL內(nèi)部纖維束在負(fù)荷條件下精確的應(yīng)力分布仍然存在爭(zhēng)議。因此，本研究擬著眼于ACL脛骨止點(diǎn)各種組織不同的力學(xué)特性來分析其內(nèi)部纖維束的應(yīng)力分布。每種止點(diǎn)組織在外力從ACL傳遞到骨的過程中都發(fā)揮不同的作用，同時(shí)將顯著影響ACL內(nèi)部纖維束的應(yīng)力分布。本研究擬建立一個(gè)真實(shí)

6、反映ACL脛骨止點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型，并在其中填充網(wǎng)格建立止點(diǎn)FE模型以進(jìn)行力學(xué)分析和數(shù)字模擬測(cè)試。同時(shí)，賦予止點(diǎn)四層結(jié)構(gòu)不同的材料屬性，設(shè)置邊界條件，加載負(fù)荷以進(jìn)行有限元分析，顯示ACL內(nèi)部纖維束的應(yīng)力分布。
　　方法:
　　1.從本院骨組織庫(kù)中獲取膝關(guān)節(jié)標(biāo)本并識(shí)別和截取ACL脛骨止點(diǎn)。標(biāo)本經(jīng)過組織學(xué)處理后，間隔50微米(micrometer,μm)進(jìn)行連續(xù)橫切片，并行番紅O/固綠染色。在光鏡下觀察切片并攝片。每一張橫切片

7、獲得數(shù)張電子圖片，用Photoshop軟件進(jìn)行自動(dòng)拼接獲得橫切片的完整圖像。根據(jù)組織學(xué)形態(tài)和染色來區(qū)分止點(diǎn)四層組織包括纖維束、非鈣化纖維軟骨、鈣化纖維軟骨和軟骨下骨。用Photoshop軟件手動(dòng)勾描四種組織的外輪廓，并填充不同的灰度值。把經(jīng)過Photoshop軟件處理的完整的灰度值圖像輸入Amira軟件，用軟件進(jìn)行三維重建獲得模型，不同的組織使用不同的顏色代表。通過Amira軟件，止點(diǎn)的空間幾何構(gòu)型能夠清晰顯示。根據(jù)其空間構(gòu)型，將止點(diǎn)非

8、鈣化纖維軟骨層分為不同的結(jié)構(gòu)單元，并以此劃分ACL功能束。用Amira軟件對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行厚度測(cè)量。根據(jù)非鈣化纖維軟骨的分區(qū)同時(shí)測(cè)量鈣化纖維軟骨的厚度。對(duì)非鈣化纖維軟骨層及鈣化纖維軟骨層的各結(jié)構(gòu)單元厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，采用單因素方差分析（one-way analysis of variance），P值設(shè)定為0.05。
　　2.通過Photoshop軟件制作ACL脛骨止點(diǎn)各功能束的輪廓線圖像，利用Matlab軟件計(jì)算幾何中心，依靠

9、ACL各功能束幾何中心與ACL幾何中心的相對(duì)位置進(jìn)行功能束的定位，計(jì)算其置信度為0.95的置信區(qū)間，并進(jìn)行功能束的命名。
　　3.將輸入Amira軟件的灰度值圖像保存為后綴名為“.hmascii”的文件，將此文件輸入HyperMesh軟件，并且在HyperMesh軟件中這個(gè)文件呈現(xiàn)出止點(diǎn)四個(gè)部分的原始包絡(luò)網(wǎng)格模型的形態(tài)。在生成匹配原始包絡(luò)網(wǎng)格的高階曲面后，刪除原始包絡(luò)網(wǎng)格。各個(gè)部分填充四面體元素，之間以節(jié)點(diǎn)相連接，最終獲得實(shí)體網(wǎng)格

10、模型。將HyperMes軟件生成的實(shí)體網(wǎng)格模型輸入Abaqus軟件，各個(gè)部分賦予不同的材料屬性，骨端的底部固定。將拉伸負(fù)荷平均施加于止點(diǎn)近端，沿ACL長(zhǎng)軸方向。在四個(gè)方向上平均的施加剪切負(fù)荷，包括從前向后，從后向前，從內(nèi)向外，從外向內(nèi)。
　　結(jié)果：
　　1.重建的模型展示了ACL脛骨止點(diǎn)纖維軟骨獨(dú)特的空間構(gòu)型。根據(jù)其空間構(gòu)型，將非鈣化纖維軟骨層分為三個(gè)結(jié)構(gòu)單元:外側(cè)、內(nèi)側(cè)和后側(cè)結(jié)構(gòu)單元。相對(duì)于內(nèi)側(cè)單元，外側(cè)單元出現(xiàn)的位置最淺

11、，止點(diǎn)從韌帶到非鈣化纖維軟骨的過渡最早出現(xiàn)在外側(cè)，外側(cè)和內(nèi)側(cè)單元幾乎沒有交集，它們通過一個(gè)平臺(tái)將其分開。相對(duì)于外側(cè)和內(nèi)側(cè)單元，后側(cè)單元展示出不同的空間構(gòu)型，呈現(xiàn)出中空的斜坡狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元的非鈣化纖維軟骨和鈣化纖維軟骨的厚度有顯著性差異，外側(cè)單元最厚，后側(cè)單元最薄，內(nèi)側(cè)單元介于兩者之間。暫時(shí)將外側(cè)、內(nèi)側(cè)及后側(cè)單元分別命名為L(zhǎng)、M及P結(jié)構(gòu)單元，與各結(jié)構(gòu)單元相連的纖維束暫時(shí)命名為L(zhǎng)束、M束及P束。
　　2.L束、M束及P束的幾何中心分

12、別位于ACL的外側(cè)、前內(nèi)側(cè)及后內(nèi)側(cè)，因此將L束、M束及P束分別命名為外側(cè)束、前內(nèi)束及后內(nèi)束。
　　3.用HyperMesh和Abaqus軟件構(gòu)建和模擬止點(diǎn)四層結(jié)構(gòu)包括韌帶、非鈣化纖維軟骨、鈣化纖維軟骨和軟骨下骨的三維FE模型。應(yīng)力云圖顯示ACL內(nèi)部纖維束的拉伸和剪切應(yīng)力分布不均勻。ACL外側(cè)束應(yīng)力最低，應(yīng)力向四周呈放射狀的逐漸升高，前內(nèi)束應(yīng)力高于外側(cè)束，應(yīng)力最高的部分位于后內(nèi)束。
　　結(jié)論：
　　1.基于脛骨止點(diǎn)非鈣化