7.3.2 有限元建模

7.3.2 有限元建模

7.3.2.1 图像采集与几何建模

在前交叉韧带解剖学重建的手术中，股骨骨隧道的创建往往在120°屈膝位进行，为了获取在此过程中创建的骨隧道的准确位置，我们对这一过程进行了模拟，即在屈膝120°的膝关节模型上确定骨隧道的空间位置。而膝关节模型几何信息则源自对屈膝位膝关节的核磁扫描。

对健康男性受试者屈膝120°位的膝关节进行核磁共振扫描。受试者为30岁男性，身高1.72米，体重为65公斤，经过临床的轴移测试和抽屉测试，无膝关节疾病，并在核磁共振影像中加以确认。在扫描的过程中，由于核磁扫描空间的限制，为了使膝关节位于扫描中心，要求受试者向右侧卧，左膝离开右膝以避免干扰右膝正常成像。采用了1.5T的西门子核磁共振仪对健康受试者的右侧膝关节进行扫描。核磁共振扫描参数如下：分辨率为0.47×0.47mm2，层厚为2mm，回波时间/重复时间（TE/TR）＝43/7170ms，扫描方位为膝关节矢状位。为了在扫描过程中保持膝关节的稳定和松弛，采用低温热塑性板对右侧膝关节进行固定。具体方法为，对低温热塑性板进行水浴加热至60℃，使其软化，使受试者右侧膝关节保持扫描姿势，将软化的低温热塑性板根据其膝关节进行定形。热塑版降温至室温后发生固化，从而为膝关节在扫描过程中提供稳定的支持和固定作用。扫描结果如图7-20所示。

根据核磁共振图像，建立膝关节的几何模型。将上述屈膝位的膝关节核磁共振图像导入到医学图像处理软件MIMICS中。由于不同组织在核磁图像中显现出不同的灰度，因而根据灰度的差异将用于创建骨隧道的股骨和胫骨几何信息提取出来。

7.3.2.2 单束前交叉韧带重建模型

根据手术的流程在120°屈膝位的膝关节模型上分别建立胫骨和股骨的骨隧道。其中，股骨骨隧道由前交叉韧带的股骨止点穿入，从股骨外侧髁穿出，骨隧道的直径采用8mm；胫骨骨隧道由胫骨粗隆的内侧穿入，从前交叉韧带的胫骨止点穿出，直径也为8mm。

7.3.2.3 双束前交叉韧带重建模型

在双束重建的手术中，由于采用两条韧带移植体来替换损伤的前交叉韧带，因而在胫骨和股骨上分别需要两条骨隧道来固定韧带移植体。根据临床手术的基本流程在120°屈膝位的膝关节模型上建立骨隧道。股骨的前内侧骨隧道由前交叉韧带的前内侧束止点处穿入，从股骨的外侧髁穿出，直径为8mm；后外侧骨隧道由前交叉韧带的后外侧束止点处穿入，从股骨外侧髁穿出，直径为6mm。胫骨的前内侧骨隧道由胫骨粗隆内侧穿入，从前交叉韧带前内侧束的胫骨止点穿出，直径为8mm；后外侧骨隧道由内侧副韧带的胫骨止点的前部穿入，由前交叉韧带后外侧束的胫骨止点穿出，直径为6mm。

7.3.2.4 不同骨隧道角度的模型

在单束重建的基础上研究钻孔导向角对膝关节力学环境的影响。在三维空间中，控制胫骨骨隧道位置的角度参数有两个，分别是横向角度和钻孔导向角。横向角度指骨隧道在水平面的投影与前后方向形成的夹角；钻孔导向角指骨隧道长轴与胫骨平台的夹角。本节主要探讨钻孔导向角对胫骨应力环境的影响，故采用常用的25°的横向角度，钻孔导向角分别采用30°、45°、55°、65°和75°，如图7-21所示。

7.3.2.5 有限元模型

建立韧带重建后的膝关节有限元模型。在上一节中，我们建立并验证了伸膝位的膝关节有限元模型，但在本节中为了模拟手术过程而确定的骨隧道位置在120°的屈膝位的膝关节模型中。由于在两种屈膝角度下，股骨和胫骨的几何形状并没有改变，为了在伸膝位的膝关节有限元模型中准确的建立骨隧道，通过逆向工程软件RAPIDFORM，将屈膝位的股骨和胫骨模型配准至伸膝位的股骨和胫骨上，使之重合，从而建立伸膝位的股骨和胫骨骨隧道。进而对不同的组织进行网格划分，由于膝关节组织的几何形状极不规则，故而我们将胫骨、腓骨、股骨、髌骨（包含其中的皮质骨、松质骨和关节软骨）以及半月板离散成四面体网格。网格单元的规模直接影响到计算的效率，尽管计算精度随着单元密度的增加而提高，但计算的时间则反之大大增加。由于本研究着眼于关节面附近组织的力学环境，因而在接近关节面以及骨隧道附近的区域采用1.0mm的单元边长，而在远离关节面和骨隧道的区域采用5.0mm的单元边长，如图7-22所示。

韧带移植体与前交叉韧带的力学属性相似，因此也采用只承受拉力不承受压力的非线性超弹性一维单元束来模拟。在本研究中，为了避免韧带移植体与韧带本身的材料特性差异与骨隧道因素共同影响膝关节的力学环境，因而将韧带移植体的材料属性设定为与前交叉韧带相同。韧带移植体的创建位置参考前交叉韧带重建的手术流程，即韧带移植体经过前交叉韧带的生理止点，两端在骨隧道中与骨组织相连。在单束重建中，由一条一维单元束来替换前交叉韧带，在双束重建中则采用两条一维单元束来替换前交叉韧带的前内侧束和后外侧束。在本研究中，为了模拟韧带移植体与骨隧道的相对接触和滑移（骨隧道扩大并发症可能与该现象有密切的联系[32]），采用了ABAQUS中的Slipring算法对这一效应进行模拟。