前交叉韧带重建术后移植物应力的有限元分析

摘要

目的:探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)重建后移植物应力分布特征,为ACL重建的手术方案提供理论参考。方法:基于三维磁共振及CT影像,建立完整膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL、后交叉韧带;建立ACL重建后膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL移植物、后交叉韧带。模型采用线弹性材料属性,骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poisson’s ratio)为0.36;完整膝关节及ACL重建膝关节的模型中的韧带组织及ACL移植物的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4;将股骨固定设置为模型边界条件,施加胫骨前向134 N的拉力为载荷条件,求解分析完整膝关节的ACL及重建术后的ACL移植物的拉应力、压应力、剪切应力、等效应力的受力状态。结果:重建后的ACL移植物的最大压应力(6.34 MPa)、等效应力(5.9 MPa)、剪切应力(1.83 MPa)均在前侧股骨端,与完整膝关节ACL最大压应力(8.77 MPa)、等效应力(8.88 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)位置一致。移植物最大拉应力也出现在股骨端,但位置在后侧,与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致,且ACL移植物最大拉应力的值仅为0.88 MPa,小于完整膝关节ACL的2.56 MPa。结论:ACL移植物压应力、等效应力、剪切应力最大值均在前侧股骨端,最大拉应力出现在股骨端后侧,均与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致;ACL移植物的前侧部分承受力较大,后侧部分承受力较小,与ACL的生物力学特性相符合。