前交叉韧带重建后急停起跳过程中膝关节应力的有限元分析

背景:已有研究分析了前交叉韧带重建患者术后完成不同动作时健患侧运动学、动力学等运动特征,假设前交叉韧带重建术后患者在完成急停起跳动作时健侧前交叉韧带von Mises应力较患侧高,半月板和股骨软骨的von Mises应力较患侧低.目的:通过探究前交叉韧带重建患者健患侧膝关节软组织的应力响应特征,以期为降低该人群发生前交叉韧带二次损伤及慢性膝关节骨性关节炎等继发性损伤提供参考.方法:运用红外光点运动捕捉系统(Nokov)和测力台(Bertec)采集前交叉韧带重建患者急停起跳时膝关节运动学和动力学特征,通过欧拉角计算方法和逆动力获得膝关节三维角度和三维力矩参数,并将膝关节三维角度和力矩作为边界和加载条件分别载入健患侧膝关节有限元模型,进行数值仿真,比较健患侧膝关节内部结构在实际运动载荷下的应力分布情况.结果 与结论:①在水平向后第一地面反作用力峰值时刻,患侧膝关节屈曲角、内收角明显大于健侧,且健侧垂直地面反作用力高于患侧.此外,健侧垂直地面反作用力峰值出现在急停起跳阶段的4％-6％,而患侧出现在急停起跳阶段的15％-17％,表现出健侧腿较患侧先着地的运动模式.②有限元分析显示健侧前交叉韧带von Mises应力峰值高于患侧(28.47 MPa vs.13.18 MPa),且健侧最大应力出现在前交叉韧带后束部位,而患侧分布于前交叉韧带前侧股骨端;此外,患侧股骨软骨(12.16 MPa vs.5.342 MPa)和半月板(17.35 MPa vs.16.18 MPa)von Mises应力峰值均大于健侧,对应的最大应力峰值分别位于股骨远端关节软骨外髁边缘处和外侧半月板前角边缘.③有限元模拟得出前交叉韧带重建患者健侧发生前交叉韧带损伤风险较患侧前交叉韧带二次损伤风险可能更大,进一步由于患侧股骨软骨和半月板产生较高的应力可能会加重膝关节骨性关节炎的发展;研究结果提示前交叉韧带重建患者进行康复训练时不仅需关注患侧的康复训练,健侧异常的运动模式和代偿反应亦不容忽视.