1、研究背景
　　前交叉韌帶(anteriorcruciateligament，ACL)斷裂可導致膝關節(jié)運動不穩(wěn)，引起脛骨與股骨之間的位移和旋轉異常。脛骨與股骨之間的運動關系比較復雜，包括6個自由度的位移和旋轉，以及股骨內外側髁的前后、內外和遠近位移。ACL是維持膝關節(jié)正?；顒拥年P鍵紐帶。當ACL斷裂后，膝關節(jié)在屈曲過程中會出現脛骨前移、內移和內旋增加。以往許多關于ACL斷裂后膝關節(jié)運動的研究，把股骨的運動作為一個整體來看待，而忽略了

2、內側髁和外側髁的運動。因此，ACL斷裂對內外側髁運動的影響在目前仍認識不足，表現在ACL斷裂對內外側髁前后位移的影響仍存在分歧，而且尚未有文獻報道ACL斷裂對內外側髁內外和遠近位移的影響。全面地了解ACL斷裂后脛股關節(jié)6個自由度運動以及股骨內外側髁運動的異常變化，將有助于進一步認識ACL斷裂對股骨運動產生的影響，有助于改進ACL重建術的外科技術。
　　ACL斷裂引起的脛股關節(jié)運動軌跡改變可進一步引發(fā)半月板和軟骨繼發(fā)性損傷。隨著AC

3、L斷裂后脛股關節(jié)位移和旋轉的改變，脛股軟骨接觸點在屈曲過程中出現后移和外移增加，從而引起關節(jié)負荷從負重區(qū)轉移到非負重區(qū)，造成非負重區(qū)軟骨應力增加。此外，ACL斷裂后內側半月板所承受的應力也明顯增加?？梢姡珹CL斷裂會引起關節(jié)間應力重新分配，容易導致半月板和軟骨繼發(fā)性損傷。既往的研究很少對ACL斷裂后半月板（前角、體部和后角）和軟骨（脛骨軟骨和股骨軟骨）各部分的應力情況進行細分觀察。臨床觀察顯示，ACL斷裂對半月板和軟骨各部分的影響并不完

4、全相同。因此，全面地了解ACL斷裂后半月板和軟骨各部分異常的應力分布，將有助于了解半月板和軟骨上出現繼發(fā)性損傷的好發(fā)部位以及了解潛在的損傷機制。
　　有限元分析法是獲得膝關節(jié)半月板和軟骨上應力分布的有效方法。該方法以研究對象的幾何結構為基礎構建生物力學模型，賦予恰當的材料屬性后，加載負荷和邊界條件，對研究對象進行受力分析和運動分析。有限元分析法可以克服體外實驗中標本不易獲得、標本不能重復使用等缺點，而且能獲得體外實驗不易獲得的數據

5、，如韌帶張力，關節(jié)間的接觸力、接觸面積，半月板和軟骨的應力、應變等。有限元分析法已成為研究關節(jié)生物力學的可靠手段。
　　在本文中，我們應用雙平面X光技術全面地測量直立負重屈曲過程中，脛股關節(jié)6個自由度的運動以及股骨內外側髁前后、內外和遠近位移。直立負重比非負重能更好地反映和評估ACL斷裂病理狀態(tài)下的脛股關節(jié)運動。本文先建立應用該技術測量脛股關節(jié)運動的方法，以及驗證該技術測量的準確性;接著，我們使用該技術全面地測量并分析膝關節(jié)在直立

6、負重屈曲過程中，ACL斷裂后脛股關節(jié)位移和旋轉的變化;然后，我們把ACL斷裂后脛股關節(jié)運動軌跡改變的數據應用到有限元模型中，模擬分析ACL斷裂后內外側半月板前角、體部和后角，以及內外側脛骨軟骨和股骨軟骨上應力分布的變化。
　　研究方法
　　1.雙平面X光技術測量脛股關節(jié)位移和旋轉方法的建立與體外實驗的驗證。使用兩臺X光機從正交方向同時采集膝關節(jié)6個屈曲位置的雙平面X光影像，CT掃描伸直位的膝關節(jié)并重建成脛股關節(jié)三維模型，然后

7、用三維模型與雙平面X光影像進行圖像配準，獲得6個屈曲位置的脛股關節(jié)模型，通過建立在模型上的關節(jié)坐標系測量出脛股關節(jié)在屈曲過程中的位移和旋轉。驗證過程如下:CT直接掃描處于6個屈曲位置的同一個膝關節(jié)，并重建成6個位置的脛股關節(jié)模型，通過同一個坐標系測量出脛股關節(jié)的位移和旋轉，并以此運動數據作為參考標準，考查雙平面X光技術所獲得的脛股關節(jié)運動數據的準確性。
　　2.測量ACL斷裂后直立負重屈曲過程中脛股關節(jié)的位移和旋轉。應用雙平面X光

8、技術，測量單側ACL斷裂患者從伸直位到120°屈曲的弓步下蹲過程中，ACL斷裂膝和正常對側膝的脛股關節(jié)位移和旋轉，然后對比分析患膝與健膝之間脛股關節(jié)位移和旋轉的差異，獲得ACL斷裂后脛股關節(jié)運動軌跡改變的數據。
　　3.探討ACL斷裂對半月板和軟骨應力分布的影響。應用有限元分析法計算出ACL斷裂膝和正常膝中半月板和軟骨各部分上的應力分布。構建脛股關節(jié)有限元模型，并對此模型的有效性進行驗證。創(chuàng)建ACL斷裂有限元模型，把ACL斷裂后脛

9、股關節(jié)運動軌跡改變的數據作為邊界條件應用到該模型中。計算出伸直位、15°和30°屈曲時ACL斷裂模型和正常模型中半月板和軟骨上的應力分布，并對比分析兩個模型之間半月板和軟骨各部分上應力的差異。
　　研究結果
　　1.雙平面X光技術能較準確地測量脛股關節(jié)的位移和旋轉。該技術的精確度在前后、內外和遠近位移上分別為0.88mm、0.65mm和0.61mm，在屈伸、內外旋轉和內外翻轉上分別為1.03°、1.09°和0.76°。

10、>　　2.膝關節(jié)在下蹲屈曲過程中，在伸直位和15°屈曲時，ACL斷裂后股骨外側髁的后移增加，伴隨著股骨的后移和外旋增加。而對于內側髁的前后位移，內外側髁和股骨的內外、遠近位移，以及股骨的內外翻轉在ACL斷裂后均與正常膝相似。
　　3.膝關節(jié)從15°到60°的下蹲屈曲階段中，ACL斷裂后外側髁后移的幅度顯著減少，這使得股骨后移和外旋的幅度也隨之減少。而對于內側髁前后移動的幅度，內外側髁和股骨內外、遠近移動的幅度，以及股骨內外翻轉的幅

11、度在ACL斷裂后均與正常膝相似。
　　4.在伸直位到30°屈曲之間，ACL斷裂后內外側半月板上的應力均增加。在伸直位時，ACL斷裂造成內側半月板前角的應力增加明顯，外側半月板前角和體部的應力也有所增加;在15°和30°屈曲時，ACL斷裂后內側半月板后角的應力增加明顯，而外側半月板各部位的應力增加不明顯。
　　5.ACL斷裂后內外側脛股軟骨在伸直位到30°屈曲之間所承受的應力均增加，其中，內側股骨軟骨的應力增幅隨著屈曲的增加而

12、逐漸升高，內側脛骨軟骨的應力增幅隨著屈曲逐漸下降，外側間室中脛股軟骨的應力增幅比較小。
　　研究結論
　　1.建立了雙平面X光技術全面測量脛股關節(jié)位移和旋轉的方法，經過驗證，該技術有效可行。
　　2.在膝關節(jié)從伸直位到120°的下蹲屈曲過程中，ACL斷裂主要改變了股骨外側髁的前后運動，引起外側髁在早期屈曲范圍內向后松動，而且造成外側髁在屈曲過程的中間階段向后移動的幅度顯著少于正常膝。
　　3.在膝關節(jié)從伸直位到3