7.3.3 有限元分析
7.3.3.1 载荷与边界条件
为了分析前交叉韧带重建前后，膝关节的力学环境在典型载荷下的差异，本研究简化采用了以下三种载荷与边界条件，如图7-23所示：
（1）模拟行走时膝关节的竖直方向压力[34]。膝关节伸直状态下，约束胫骨远端的6个自由度，在股骨远端施加竖直向下的大小为体重2倍的载荷。
（2）模拟行走中膝关节的最大外翻扭矩[34]。约束股骨近端的6个自由度，在胫骨远端施加大小为6.5N·m（1.0%×体重×1m）的外翻扭矩。
（3）模拟行走中膝关节的最大内旋扭矩[34]。约束股骨近端的6个自由度，在胫骨远端施加7.15N·m（1.1%×体重×1m）的内旋扭矩。
图7-23 屈膝位的膝关节核磁影像
由于在给定载荷及边界条件下膝关节各部分应力大小差异较大，如股骨和胫骨内外侧髁的应力水平较高，而髁间隆起等区域应力水平较低，因此低应力区的应力改变绝对值较小，容易被忽略。为准确统计膝关节上应力改变情况，本研究对应力分布结果进行归一化处理，通过计算应力改变率（Δ）的分布来保证前交叉韧带对膝关节力学环境的改变程度：
其中，σi和σr分别为前交叉韧带重建前后节点上的应力。
7.3.3.2 竖直压力作用下的膝关节力学环境
在竖直压力作用下，单、双束重建后膝关节应力分布均发生了不同程度的改变，且应力改变主要发生在关节面附近的骨隧道周围。胫骨上Δ分布如图7-24所示。其中，单束重建后，骨隧道前方的应力增长，骨隧道内、外侧的应力下降；双束重建后，前内侧骨隧道的前方应力增长，内、外侧应力下降。与单束重建后结果相比，双束重建后两骨隧道之间发生应力集中现象，且应力增长率超过了200%。
图7-24 胫骨平台上的Δ分布（见彩图7-）
股骨上Δ分布如图7-25所示。其中，单束重建后，骨隧道下方应力下降，上方应力增长；双束重建后，前内侧骨隧道的上方应力增长，增长率比单束重建后结果小，后外侧骨隧道前方应力下降，而后方应力发生剧烈增长，增长率超过90%。
图7-25 股骨上的Δ分布（见彩图8-）
7.3.3.3 外翻与内旋作用下的膝关节力学环境
外翻和内旋载荷作用下，膝关节在韧带重建前后的力学环境改变比较相似。在胫骨上，从矢状面上看，单、双束重建后骨隧道内靠近韧带移植体固定端处均出现严重的应力增长现象，增长率大于200%。而关节面附近，骨隧道后方出现应力下降，且单束重建后应力下降率大于双束重建。
在股骨上，从冠状面上看，单、双束重建后骨隧道内靠近韧带移植体固定端处均出现严重的应力增长现象，单束重建后应力增长率小于双束重建。而关节面附近，骨隧道周围出现应力下降，且单束重建后应力下降率大于双束重建。
外翻与内旋载荷下，前交叉韧带的重建不仅影响了膝关节上的应力大小分布，还使应力方向发生改变。从胫骨的矢状截面上看，在正常膝关节中第一主应力集中于前交叉韧带的胫骨止点处，且方向与前交叉韧带的走向几乎平行，这一现象体现了前交叉韧带对胫骨的拉力。而在单、双束重建后，前交叉韧带止点处的第一主应力大大下降，而第三主应力大大提高，较高的第一主应力由前交叉韧带的止点处转移到了骨隧道内韧带移植体的固定端，这一现象体现了韧带移植体对胫骨的拉力。
7.3.3.4 钻孔导向角对膝关节力学环境的影响
当采用不同的钻孔导向角时，前交叉韧带重建后的力学环境也会产生改变。在竖直压力作用下，骨隧道附近应力改变率（Δ）的最大值随钻孔导向角的增大而减小，但是其减小的程度在钻孔导向角大于65°后显著下降（图7-26）；钻孔导向角的改变对骨隧道后外侧和后内侧的应力改变率影响不大。胫骨上的最大应力出现在骨隧道前缘上，随钻孔导向角增大，最大应力值逐渐减小，如图7-27所示。在外翻及内旋载荷下，随着钻孔导向角的增大，骨隧道前内侧近应力改变率的最大值不断减小，而后方近应力改变率则变化较小。胫骨上的最大应力出现在骨隧道的前缘。
图7-26 钻孔导向角对骨隧道附近近应力改变率峰值的影响
此外，本研究结果表明，胫骨骨隧道钻孔导向角的大小也对骨隧道附近应力环境改变的范围造成影响。在竖直载荷作用下，随着钻孔导向角的增大，Δ≥100%的区域面积逐渐减小，但减小的幅度在钻孔导向角大于55°后减小显著降低。在外翻及内旋载荷作用下，随着钻孔导向角的增大，Δ≥100%的区域面积逐渐减小，但减小的幅度在钻孔导向角大于55°后减小显著降低。
图7-27 钻孔导向角对骨隧道附近应力峰值的影响
钻孔导向角的改变不仅会使胫骨上的应力大小发生变化，也会导致应力方向的改变。在外翻与内旋载荷下，前交叉韧带重建后，代表拉应力的第一主应力由前交叉韧带的止点处转移到了骨隧道内韧带移植体的固定端，这一现象体现了韧带移植体对胫骨的拉力，而拉力的方向几乎平行于胫骨骨隧道的长轴，故拉力的方向随钻孔导向角的改变而改变。随着钻孔导向角的增大，关节面附近的第三主应力逐渐减小，但减小的幅度在钻孔导向角大于55°后减小显著降低。
在胫骨上，由于骨隧道位于胫骨的内侧，因而其对关节软骨的影响主要集中于内侧的胫骨软骨上。在韧带重建后，胫骨软骨的前外侧边缘应力上升，而外侧边缘应力下降。但应力改变的幅度随着钻孔导向角的增大而减小，即逐渐趋于正常。此外，钻孔导向角的改变对韧带移植体张力及半月板的应力环境影响较小，而会对“韧带移植体 骨隧道”相互作用力造成影响。随钻孔导向角增大，“韧带移植体 骨隧道”相互作用力先减小后增大，且在钻孔导向角为55°时达到最小值。
本研究进一步考虑了复合载荷下钻孔导向角对膝关节力学环境的影响，即同时加载竖直压力、外翻和内旋的情况下，膝关节面、骨隧道附近的应力改变率分布，以及其随着钻孔导向角的改变趋势，均与竖直压力作用下相似。