发布时间：2023-11-26 15:32:54
绪论：一篇引人入胜的韧带的生物力学特性，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
有限元仿真计算是随着计算机技术不断进步而逐渐发展起来的一种有效地数值方法，而用有限元法进行生物力学分析是近年来发展起来的一种生物力学研究方法。伍中庆等[4]结合X线片用XCT对尸体膝关节进行扫描，利用Ansys有限元软件，对膝关节的三维有限元模型进行重建，包括股骨、胫骨、髌骨及半月板，重建的几何体逼真、客观，为分析股骨、胫骨、髌骨和半月板的力学特性提供了模型基础。汪强[56]的结果提示三维模型较以往两维平面有限元模型有明显优点：①模型网格划分更细，建立的单元和节点更多，模型更接近解剖学实际。②图像数据直接来自CT扫描，避免了图像生成、转化与存取中的信息丢失，且图像精确。③严格区分了半月板与关节软骨。王光达等[7]通过一名男性健康志愿者的膝关节扫描，通过有限元软件处理成功建立了一个完整的膝关节三维有限元模型，包括胫骨、股骨、髌骨、内外侧副韧带、前后交叉韧带，髌韧带及双侧半月板。模型可以任意角度旋转观察，整体外形及各组成部件均与实体标本具有满意的相似性，黄建国等[8]通过了MSCMARC建立膝关节的三维有限元模型，得到胫骨骨折患者的膝模型，认为对胫骨平台骨折的诊断，手术策划和治疗具有较大的指导作用。模型确立后可以为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。姜华亮等[9]在MRI基础上建立膝关节三维有限元模型，包括膝关节所涉及的几乎所有骨骼、软骨，半月板和韧带等基本力学的模型，并认为MRI比CT对软组织显像更清晰。重建的模型更逼真、客观，能够更真实地反映膝关节的结构特点和生物力学属性。
2有限元在膝关节生物力学研究中的应用
人体膝关节生物力学复杂多样，更多的力学反映在运动过程中，受力特点更加复杂。因此，应用三维有限元方法建立膝关节生物力学模型，无创、快速地研究膝关节力学特性、损伤的机理，对指导临床工作有现实意义。有研究认为膝关节伸直时应力主要分布于ACL近股骨上点处。说明ACL是对抗胫骨前移的主要结构，其与临床上ACL损伤多发生在股骨上点处相一致。膝关节屈曲时，PCL是对抗胫骨前移的首要结构，且应力主要集中在近胫骨止点处，这与临床PCL断裂多发生在胫骨止点处相一致。同时对模型施加内外翻应力，分别在LCL腓骨上点和MCL近股骨上点应力较大，说明MCL、LCL是对抗膝外、内翻的主要结构。与临床内、外侧副韧带损伤位置一致。进一步验证了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪强等[5]通过对膝关节三维有限元模型的建立，同时研究了加载后，得到膝关节内外侧关节面典型节点Von Mises应力值，提示正常膝关节内侧关节面应力呈前、后部大，中部小分布；外侧关节面应力呈前部大，中后部稍小分布，且较内侧关节面分布均匀。姚杰等[11]利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据，对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟，并分析膝关节损伤的机理。结果显示，关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加，外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷，前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中，此时更易断裂。吴宇峰等[12]通过有限元模型研究了髌骨在运动及损伤过程中的受力情况，结果显示应力集中于髌骨的上极和下极，说明骨折的好发部位即在髌骨的上下级，与临床基本相符。辛力等[13]通过有限元方法对合并膝关节脱位的胫骨平台骨折4种内固定方法进行比较。结果提示MDP（内侧双钢板）固定后的应力最小，其后依次是BDP（双侧双钢板）与MSP（内侧T型单钢板+拉力螺钉），而LLP（外侧锁定钢板+拉力螺钉）固定的应力最高。给临床治疗类似骨折选择治疗方案提供参考。
3膝关节置换相关有限元分析研究
人工膝关节置换是治疗膝关节骨性关节炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝关节置换。三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法，利用该方法从生物力学角度分析全膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝置换有重要意义。膝关节置换前要对患者膝关节病情有详细了解，全面检查，严格选择假体类型。根据假体的使用部位将假体分为单髁假体（单间隔假体）、不包括髌股关节置换的全关节假体（双间隔假体）、全关节假体（三间隔假体）。如果术前对准备手术的膝关节进行CT扫描、重建，建立三维有限元模型，然后进行逆向工程CAD/CAM，选择制作适合该关节的人工假体必将更适应患者，术后生物力学性能必将更好，松动翻修的机率将明显降低[]。术中选择置换假体，胫骨和股骨配对关系，术后假体接触表面的应力变化可能增加磨损及松动的风险，有研究[15]将股骨侧3号钴铬合金假体，与胫骨侧25号（3/25配对），3号（3/3配对），4号（3/4配对）钛合金金属托及对应尺寸的10 mm厚度聚乙烯垫片配对。构建有限元模型，模拟双腿站立，平地行走，上楼梯情况下，对各屈膝角度的最大等效应力进行研究。发现3/25配对，3/4配对假体接触面最大等效应力明显增高，有增加聚乙烯垫片磨损风险。同时Liau等[16]研究了假体对线不齐时接触应力和Von Mises应力大幅度增加。定制假体尽管重建保肢符合人体生物力量规律，短柄假体可引起骨水泥应力集中，重建后发生骨折，骨水泥碎裂风险较高，但过度增加柄长对骨的应力遮挡水平也相应增大[17]。膝关节置换后要能负重行走是最终目标，许多静态的模型并未涉及其中。最近有研究者对其关节高屈曲活动下运动和应力等动态特征进行了研究。通过建立包括主要骨和软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型，对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析。结果表明在膝关节过伸和高屈曲时，在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处，胫骨平台内后方和轮柱后部3个区域发生较高的接触应力，这些也正是假体发生较高磨损的部位。这为膝关节假体的摩擦学研究及膝关节假体设计提供有力的分析工具[18]。
4问题与展望
尽管有限元分析方法在膝关节外科研究中有诸多优点，能重建出与真实人体膝关节结构基本一致的模型，重建的模型逼真、客观，可以自由旋转，添加、调整相关参数可以进行人体和动物实验无法完成的生物力学研究。但它作为一项仍然没有成熟的技术，还有许多不足：①研究所用硬件、软件多为进口，价格昂贵。②操作过程繁琐复杂，作为临床医务人员，学习周期长，较难熟练掌握。③人体膝关节结构复杂，相互之间关系密切，互相影响，脱离其他因素，简单研究骨骼、韧带、关节软骨本身就有失偏颇。④将骨骼内各向同性，各向异性等同考虑，简化操作，明显不妥。⑤膝关节许多特征及生物力学都是在运动中表现出来，但许多有限元的研究是静态的，未考虑动态研究，影响结果的准确性。⑥载荷和边界条件的选择，基本都是人为确定的，很多参考国外的文献，而这是否适用于国人亦未可知。所有这些问题，希望随着对膝关节发病机理的进一步认识、计算机处理能力的进一步提高、CT和MRI成像技术的不断完善而逐步得到解决，使之更好地为临床服务。
参考文献
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Abstract：Objective To compare the peroneus longus tendon and hamstring tendon（gracilis tendon，semitendinosus）anatomic morphology and biomechanical properties，proof of the peroneus longus tendon can be used as a single strand and reconstruction of ACL，PCL，（ACL，PCL）ideal graft. Methods 16 cases of 19 to 56 years of age for some reason thigh in the lower part of the amputation of fresh specimens，take the tendon to remove the fibular long tendon， hamstring tendon （femur tendon， semitendinosus tendon）ACL，PCL，measuring the length of the tendon，with 0.02 precision vernier caliper width，thickness.Tendon at both ends of the stitching，each with 3 threads，suture length of 3 cm，tensile testing machine test.Results There were no significant differences in the data of anterior and posterior cruciate ligament，hamstring tendon（femur tendon，semitendinosus tendon），peroneus longus tendon length，width，thickness and anterior and posterior cruciate ligament.There were no significant differences in the ultimate tensile strength between the anterior and posterior cruciate ligament，the hamstring tendon（the femoral tendon and the semitendinosus tendon），the maximal tendon of the peroneus and the maximal deformation data.Conclusion The maximum deformation of the peroneus longus tendon single strand，the ultimate tensile strength and hamstring tendon，posterior cruciate ligament are compared，the difference was not significant.It shows that the single strand of the long peroneal tendon can be cut off from the middle and can serve as an ideal graft for the simultaneous reconstruction of ACL and PCL.
Key words：Knee joint；Cruciate ligament；Long peroneal tendon；Biomechanics；
膝关节交叉韧带损伤损伤多用N绳肌腱、骨-髌腱-骨（B-PT-B）、同种异体肌腱等材料进行重建[1]。自体腓骨长肌腱重建交叉韧带的报道较少。从1988年陈展辉采用腓骨长肌腱转位重建交叉韧带以来，许多学者[2]对腓骨长肌腱的形态、血液供应、生物力学进行了报道，但目前仍缺乏腓骨长肌腱与ACL、PCL在解剖形态与生物力学等方面的对比研究。本文对16例大腿中下段以上截肢的新鲜标本进行研究，为腓骨长腱移植同时重建ACL、PCL提供解剖和生物力学基础。
1资料与方法
1.1一般资料 16例19～56岁因不同原因行大腿中下段以上截肢的标本，取腱器取下腓骨长肌腱、N绳肌腱（股薄肌腱、半腱肌腱），前后交叉韧带，进行分析对比。
1.2方法
1.2.1解剖学形态测量
1.2.1.1N绳肌腱按以下方法测量 股薄肌、半腱肌长度：肌腹长度：测量肌腹实际长度。肌腹宽：测量肌块上中1/3相交处横径。肌腹厚：在测量肌腹宽的中点处用直角规测量。肌腱长度：测量下端肌腱实际长。肌腱宽：测量肌腱最宽处横径。肌腱厚：在肌腱最宽处中点用直角规测量。N绳肌腱：半腱肌和股薄肌编织缝合后二者合并测量。
1.2.1.2腓骨长肌腱按以下方法测量 腓骨长肌腱：解剖出腓骨长、短肌腱，在近端切口拉动两肌腱，观察远端切口肌腱连带滑动情况，浅侧粗大者为腓骨长肌腱，取出其近端，远端在距离第五跖骨基底（因为临床手术只需解剖到此位置即可，这样把损伤减少到最小）1 cm。
1.2.1.3交叉韧带按以下方法测量 交叉韧带的测量：用精度0.02的游标卡尺测出ACL、PCL中心线在膝关节屈曲90°的长度和韧带中点的宽度、厚度。
1.2.2生物力学的测试 肌腱两端锁边缝合，每端用3根丝线，缝合长度为3 cm，拉力试验机测试。
1.3统计学处理 用SPSS软件进行方差分析及两两比较，数据均用（x±s）表示，显著差异用t检验。
2结果
前后交叉韧带、N绳肌腱（股薄肌腱、半腱肌腱）、腓骨长肌腱长度、宽度、厚度、极限拉伸强度、最大变形与前后交叉韧带数据对比差异无统计学意义，见表1、表2。
3讨论
交叉韧带断裂后不能愈合，需重建手术，N绳肌腱、髌韧带是常用的移植物，但它们均在患膝关节周围，而且是构成膝关节稳定结构的重要结构，切取后对膝关节的功能和稳定性有一定的影响[3-4]，当膝关节ACP、PCL同时断裂进行重建手术时，切取单侧的上述移植物不能满足ACL、PCL同时重建的需要，而取健侧膝关节的组织，又会对健侧的膝关节产生不良的影响。
腓骨长肌腱作为移植物不会影响膝关节力学平衡，特别是对于ACL损伤伴有内侧副韧带（MCL）损伤的患者，如果再从同侧膝关节取半腱肌腱、股薄肌腱重建ACL，很容易影响膝关节稳定性，而保留半腱肌腱、股薄肌腱，对膝关节内侧稳定性有着重要的作用，鹅足区有皮肤、软组织损伤的患者亦无法切取N绳肌腱[5-8]。
N绳肌腱的长度可以只重建前交叉韧带或后交叉韧带，但不能同时重建ACL、PCL。腓骨长肌腱有效长度一般为28 cm，将肌腱平均分为两部分，每段长度14 cm，能同时重建ACL、PCL。腓骨长肌腱的上段的极限拉伸强度与最大变形与后交叉韧带比较无显著性差异，腓骨长肌腱的下段的极限拉伸强度与最大变形与前交叉韧带比较无显著性差异。所以，腓骨长肌腱是同时重建ACL、PCL的理想移植物，为临床上把单股腓骨长肌腱作为同时重建ACL、PCL的自体移植物提供了解剖及生物力学基础。
参考文献：
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经过严格筛选的人手掌肌腱45根，男35根，女10根，供者平均年龄为（55±3）岁，由中国人民第401医院提供。肌腱经过－80℃深低温冷冻7周后随机分成A、B、C组共3组。
1．2研究方法
A组肌腱在干冰环境下行3．5kGy高能电子束照射10次，总辐射剂量为35kGy。B组在干冰环境下行3．5kGy的γ射线照射，共10次，总辐射剂量为35kGy。C组肌腱只在干冰环境下保存。
1．3组织学观察
对各组肌腱分别行苏木精－伊红（HE）染色和胶原纤维经典VG染色，观察组织形态学改变。
1．4羟脯氨酸（Hyp）含量检测
采用高效液相色谱法分别检测各组肌腱Hyp的含量。
2结果
2．1组织学观察
C组肌腱染色均匀，纤维排列规整紧密，肌腱细胞沿纤维走行排列。A组肌腱染色仍较均匀，纤维排列欠规整，纤维之间出现缝隙，肌腱细胞沿纤维走行排列。B组肌腱染色不均匀，纤维排列杂乱，大部分出现断裂，纤维之间缝隙更大更明显。
2．2各组Hyp含量比较
A、B、C组肌腱Hyp含量分别为2．809±0．353、3．20±0．376及2．52±0．331。B组Hyp含量明显高于C、A组（F＝16．32，q＝4．60、8．05，P＜0．05），A组Hyp含量与C比较差异无显著性（P＞0．05）。
