膝关节半月板疼痛治疗方法

膝关节有限元模型在目前的膝关节生物力学研究中并不罕见，通过数值仿真研究膝关节生物力学已经成为了这一领域重要的研究方法[811]。在本研究中，我们针对膝关节面附近的组织力学环境进行了关节模型的重建和验证，旨在以此分析关节组织在冲击损伤问题中的力学相应和损伤治疗相关问题中的力学环境。

当膝关节受到冲击时，关节面的软组织之间相互作用传递载荷，并起到缓冲的作用，软组织的几何结构和材料属性对于膝关节内的力学环境具有显著的影响。同时，这些软组织也是膝关节损伤的主要部位，因而也是手术治疗和术后康复考虑的重要点。在数值分析中，充分考虑软组织材料及其相互作用的各向异性和非线性特性，并且对此进行实验验证是确保膝关节模型解的可靠性的必要条件。因此，本研究考虑了韧带组织的不同的超弹性特性，并且考虑了半月板的正交各向异性的特性，分析了它在竖直方向传递载荷和在水平方向约束关节活动的力学响应。此外，在传统的膝关节有限元模型中，往往并不区分半月板的主体部分和附着韧带，而是将其考虑为均匀的材料。事实上，半月板前后角的材料属性与韧带组织相似，主要承受拉力，使得半月板在关节面平面内有较大的活动能力，进而使得膝关节在内、外旋和前、后平移等自由度上有更大的活动度。因此在本研究中区分了半月板的主体与前后角部分，并用只受拉不受压的桁架单元束来模拟其前后角与胫骨平台的连接。

本研究针对膝关节组织的几何特征尺寸和关节面附近软组织的力学相应等指标，通过实验验证，在一定程度上确保了有限元模型的精度。在计算生物力学的研究中，数值模型由于重建过程中的种种误差，在几何形态、材料特性、载荷和边界条件等因素上与真实的组织有一定程度的偏差。为了校验数值仿真的可靠性，就需要通过实验的方法对计算模型进行校验。但是校验的方法并不单一，往往需要根据研究的需求和特点决定。在与膝关节有关的仿真研究中，有的以膝关节组织的在特定载荷和边界条件下的运动学信息为指标；有的则以关节组织上的力学承载为量度；还有以组织上的物理量（如应变、压强等）分布为指标衡量数值模型的精度。在本研究中，关节面附近的软组织是传递载荷、缓冲冲击的重要机构，也是关节损伤的高发部位，更是损伤治疗的主要对象。其中，半月板在股骨和胫骨之间具有较大的活动能力，可以较敏感地体现关节面内的力学环境；同时，半月板承担着缓冲载荷和约束关节活动度的重要作用，显著影响着膝关节的动力学和运动学规律，且与骨关节炎等膝关节疾病显著相关[20]；并且，半月板的材料特性复杂，在水平方向和竖直方向上表现出不同的力学响应，存在着各向异性、有限滑移、有限变形等数值计算的难点，是膝关节建模的重要环节。因此，本研究以半月板的力学相应为指标，进行了两项验证，以实验研究的结果来校验数值模型的而精度。其中，首先以半月板在屈膝过程中的运动和变形为指标对计算结果与核磁共振影像结果进行了比较，该过程尤其检验了半月板在关节面方向内的运动和变形的精度，体现了其对膝关节运动稳定性的约束能力；其次，以半月板在一系列竖直载荷下的接触面积为指标对计算结果和实验结果进行了比较，该过程主要检验了半月板在竖直方向的载荷传递能力，与膝关节在冲击过程中的缓冲机制有着密切的联系。除此之外，本研究根据膝关节组织的解剖学测量统计结果，对膝关节模型的形态学特征进行了校验。以上的检验在一定程度上体现了膝关节模型在特定问题中的几何相似性、材料相似性、以及具有一般性，从而为后续研究膝关节冲击和手术中的生物力学问题奠定了基础。

本节的研究仍存在较多的局限性。主要包括：①在对膝关节模型的构建中，未考虑韧带与骨组织之间的接触，在一些较极端的运动中，韧带与骨之间的接触和包绕作用对膝关节的稳定性也起到重要的作用，因而需要针对特定的研究问题进行进一步的改进；②在模型材料属性的设定上，由于本节主要关注软组织上的力学相应，因而在骨组织的材料模型中未考虑非均匀性和各向异性，这一特性在关于骨组织损伤和重建的研究中应着重加以考虑；③在对着陆过程的模拟中，本节旨在介绍膝关节模型在该研究中的应用，因而对载荷和边界条件做了较多的简化，例如未考虑肌肉力对关节的影响，采用准静态的算法等。此外，着陆损伤的最大冲击发生在着陆的末期，因而在今后的研究中应结合逆向动力学和肌电数据，充分考虑肌肉力在着陆过程中的约束和缓冲作用，并采用动力学分析，定量研究着陆全过程的膝关节力学环境改变情况，从而为着陆损伤的膝关节防护研究提供生物力学依据。