前交叉韧带虚拟重建系统的应用及术后膝关节内结构的三维有限元研究

【摘要】背景在膝关节韧带损伤中,前交叉韧带(Anteriorcruciateligament,ACL)损伤最为常见,关节镜下ACL重建术是ACL损伤后的常规治疗方法。虽然该治疗方法疗效确切,但仍存在10%-15%的失败和返修率,严重影响患者的膝关节功能。该手术成败的关键在于股骨和胫骨隧道的精确定位。近年兴起的计算机辅助外科(ComputerAssistedSurgery,CAS)技术可以改善ACL隧道的精确性和手术效果,应用计算机辅助系统辅助实施ACL重建手术,有望获得比传统手术更好的疗效,降低ACL移植物的撞击率,从而降低手术失败率。ACL重建后,患者仍然存在较高的膝关节骨性关节炎的发生比例,可能原因为ACL重建后的膝关节软骨和半月板受到了超出正常范围的过大应力而发生过早的退变、磨损,从而产生骨性关节炎的临床症状,并大大影响患者生活质量。因此,选择术后最能恢复正常膝关节软骨和半月板生物力学的ACL重建方案显得尤为重要,准确评价ACL重建术后膝关节软骨和半月板的应力特点可以帮助医师筛选最佳的手术方案。膝关节三维有限元模型可以模拟术后ACL、软骨和半月板在不同运动和受力情况下的应力大小和分布特点,从而有效、便捷地地分析膝关节内各结构的生物力学特性并推测其损伤机制,还可以探索不同ACL重建方法对关节软骨和半月板应力的影响,筛选最佳的ACL重建方案,并为完善术后的康复训练、支具的设计等方案提供详细的数据。目的1.根据健康志愿者的双膝关节的CT和MRI资料,探索自主研发的计算机辅助ACL虚拟重建系统的可行性,该系统可虚拟设计出ACL重建方案。2.将自主研发的计算机辅助ACL重建系统-ACLdetector设计出的虚拟ACL重建方案应用于临床,与传统ACL虚拟重建手术的临床疗效和术后移植物撞击率作对比,探讨计算机辅助ACL虚拟重建系统在ACL损伤治疗方面的临床可行性和优越性。3.建立健康志愿者及ACL损伤患者重建术后膝关节的三维有限元模型,分析不同研究对象的膝关节有限元模型在不同运动状态和受力情况下时,正常膝关节、计算机辅助和传统重建术后膝关节ACL、关节软骨、半月板所受应力大小和分布特点,以探索ACL重建术后发生骨性关节炎可能的原因及计算机辅助ACL重建手术对膝关节软骨、半月板应力的影响,并探寻最佳ACL重建方案。方法1.在前期成功建立50例健康志愿者精确的膝关节三维模型的基础上,随机选择其中一名健康志愿者为研究对象,采用1.5TMRI设备对研究对象伸直位双膝关节进行扫描,并用256排CT对其屈曲位双膝进行扫描,基于以上影像学资料,利用MIMICS14.11、GeomagicStudio2012软件进行双膝关节三维重建,并将三维重建模型导入自主研发的计算机辅助ACL虚拟重建系统-ACLdetector中,设计出虚拟的ACL重建方案,包括ACL移植隧道的位置、角度、在股骨和胫骨上的出入口和附着点的面积。2.为进一步验证计算机辅助ACL虚拟重建系统-ACLdetector的临床可行性和有效性,本研究于2009年3月-2012年10月期间共完成80例ACL单束重建手术,其中以ACLdetector辅助指导ACL重建病例作为计算机辅助组(ComputerAssistedSurgerygroup,CASgroup),共40例,采用经典ACL单束重建病例作为传统手术对照组(TraditionalSurgerygroup,TSgroup),共40例,术前均由查体和MRI检查确诊为ACL损伤,所有CAS组患者均接受双膝关节MRI及CT扫描,根据患者双膝关节的影像学资料,利用ACLdetector设计出虚拟ACL重建方案,结合定位工具在术中按虚拟ACL重建方案进行重建,TS组患者接受经典传统ACL重建手术,术后对所有患者进行平均18个月的随访,对比两组患者的膝关节稳定性、关节功能主观评分如Lysholm评分和IKDC评分、ACL移植物撞击率,结果行统计学分析,手术前后及组间的膝关节评分比较采用t检验,两组患者膝关节稳定性和撞击率比较采用卡方检验,以α=0.05为检验标准。3.随机选取18名研究对象进行膝关节三维有限元研究,其中健康志愿者6例,作为正常对照组,CAS组术后患者6例,TS组术后患者6例,使用1.5TMRI设备对正常志愿者双膝关节、CAS组和TS组患者手术后的患侧膝关节伸直位进行扫描,利用MIMICS14.11、GeomagicStudio2012和ABAQUS6.10软件建立膝关节三维有限元模型；在屈曲0°、30°、60°、90°时,对所有模型股骨分别加载股骨后向134N和垂直350N的力,分析出ACL、股骨髁软骨、胫骨平台、半月板的应力分布和大小,将应力分布结果与其他膝关节生物力学研究相比较,以验证有限元模型的有效性,并对比分析各组ACL、股骨髁、胫骨平台软骨和半月板的应力分布及大小变化情况,结果采用方差分析,以α=0.05为检验标准。结果1.成功研发出国内先进的计算机辅助ACL虚拟重建系统-ACLdetector,该系统可根据患者的膝关节影像学资料,设计出虚拟的ACL重建方案,包括ACL骨隧道的位置、角度、在股骨和胫骨上的出入口和ACL附着点的面积。2.将ACLdetector成功应用于临床,并将CAS组患者与TS组患者进行对比,两组患者均获随访,随访时间12-24个月,平均18个月,术后切口均Ⅰ期愈合,无并发症发生,两组间术后Lachman试验阴性率无显著差异(P>0.05),轴移试验阴性率无显著差异(P>0.05)；CAS组的Lysholm评分由术前(47.83±5.14)分提高到术后(93.28±3.34)分,P<0.05;IKDC评分由术前(42.25±4.46)分提高到术后(89.13±3.45)分,P<0.05；TS组的Lysholm评分由术前(46.85±7.23)分提高到术后(92.05±3.22)分,P<0.05;IKDC评分由术前(42.73±4.82)分提高到术后(88.03±3.25)分,P<0.05,两组组间术后的Lysholm和IKDC评分无统计学差异,P>0.05；成功重建出患者术后膝关节的三维数字化模型,可以从各角度观测ACL移植物的形态、角度及位置,并评估ACL移植物与髁间窝的撞击情况,三维模型上的ACL移植物撞击测量发现CAS组1例(2.50%)发生撞击,TS组8例(20.00%)发生撞击,两组间撞击率存在统计学差异(P<0.05)。3.成功建立正常人、计算机辅助ACL重建组和传统手术重建组术后的膝关节三维有限元模型,模型包括股骨、胫骨、软骨、半月板、ACL、PCL、MCL、LCL,各结构空间位置准确,在验证以上有限元模型的有效性后,在膝关节屈曲0°、30°、60°、90°情况下,对三维有限元模型施加股骨后向的134N力之后,各组ACL应力无统计学差异(P>0.05)；施加350N的垂直力后,TS组患者的关节软骨和半月板的应力在各屈曲角度下均高于正常组及CAS组患者的的应力,差异具有统计学意义(P<0.05)：而CAS组与正常对照组各部分的软骨应力在各屈曲角度及受力情况下差异均无统计学意义(P>0.05)。结论1.自主研制出国内先进的计算机辅助ACL重建系统-ACLdetector,将其成功应用于临床后发现,该计算机辅助系统在改善膝关节功能方面与传统ACL重建手术相比无明显差异,但可以降低ACL术后撞击率,显示出较好的临床疗效,值得进一步推广应用。2.成功建立健康正常人和ACL重建术后患者的膝关节三维有限元模型,该模型可模拟膝关节不同运动状态下的受力情况,并可有效地分析膝关节ACL重建术后ACL、软骨、半月板等结构的在不同屈曲角度下的生物力学特性。3.计算机辅助和传统ACL重建术后受到股骨后向134N的力后,ACL移植物的生物力学特性无显著差异,且与正常对照组膝关节的ACL生物力学特性相似,在受到股骨垂直350N的力后,计算机辅助组患者的膝关节软骨及半月板的生物力学特性最接近正常对照组膝关节,但传统重建组的关节软骨和半月板应力高于正常组和计算机辅助组,提示计算机辅助技术有可能降低术后膝关节软骨和半月板的损伤风险,值得进一步深入研究。
【作者】何川；
【导师】李彦林；赵学凌；龚跃昆；王兵；
【作者基本信息】昆明医科大学，外科学，2014，博士
【关键词】计算机辅助外科；前交叉韧带重建术；膝关节；三维有限元；

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