前交叉韧带个性化康复支具的数字化设计

张永弟 贾康 孙宝钰 杨光 董威 冯岩

摘 要：为了帮助膝关节前交叉韧带损伤或断裂患者快速康复，设计了一款个性化康复支具。首先，采用膝关节CT及MRI图像，使用Mimics，3-matic等软件构建了前交叉韧带正常和断裂情况下的三维膝关节模型。其次，利用Ansys软件分析了膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，在固定外载荷作用下内、外侧副韧带和后交叉韧带的应力变化情况。最后，根据最新循证医学证据和临床经验，应用正、逆向建模技术设计了一款针对前交叉韧带损伤的膝关节康复支具，并通过虚拟穿戴支具分析了膝关节组织的受力情况。结果表明：前交叉韧带断裂会显著增加膝关节内、外侧副韧带和后交叉韧带的应力和股骨相对于胫骨的位移。所设计的支具能有效减少膝关节因前交叉韧带断裂而产生的过度位移和其他韧带的应力，对患者康复具有积极的促进作用。

关键词：康复工程学;膝关节;前交叉韧带;有限元分析;支具

中图分类号：R496   文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03005

Digital design of personalized rehabilitation brace for anterior cruciate ligament

ZHANG Yongdi1，JIA Kang1，SUN Baoyu1，YANG Guang1，DONG Wei2，FENG Yan1

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Department of Orthopedics，The First Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang，Hebei 050030，China）

Abstract：In order to help patients with knee anterior cruciate ligament injury or rupture recover quickly，a personalized rehabilitation brace was designed.Firstly，By using CT and MRI images of knee joint and software such as mimics and 3-matic，the three-dimensional knee joint model under normal and broken anterior cruciate ligament was constructed.Secondly，the stress changes of medial collateral ligament，lateral collateral ligament and posterior cruciate ligament were analyzed by Ansys software when the knee flexion was 0°，30°，60° and 90° under the fixed external loads.Finally，according to the latest evidence-based medicine evidence and clinical experience，a knee rehabilitation brace for anterior cruciate ligament injury was designed by using forward and reverse modeling technology，and the stress of knee tissue was analyzed by virtual wearing brace.The results show that： the rupture of anterior cruciate ligament will significantly increase the stress of medial collateral ligament，lateral collateral ligament，posterior cruciate ligament of knee joint and the displacement of femur relative to tibia.The designed brace can effectively reduce the excessive displacement of the knee joint caused by the rupture of the anterior cruciate ligament and the stress of other ligaments，and can actively promote the rehabilitation of patients.

Keywords：

rehabilitation engineering;knee joint;ACL;finite element analysis;brace

膝关节是人体最大、最复杂的受力屈曲关节，在人体正常的活动中起着重要作用[1]。由于其特定的生理结构特性，日常运动导致膝关节损伤成为运动中最主要的损伤之一。韧带在维持关节稳定功能中发挥着重要的作用，膝关节4条主要韧带有前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）、外侧副韧带（lateral collateral ligament，LCL）、内侧副韧带（medial collateral ligament，MCL）。冰雪运动中常见膝关节的运动损伤为ACL损伤。比如在高山滑雪项目中，因滑雪板前端受阻，膝关节会受外翻和外旋联合力矩作用，ACL很容易发生损伤甚至断裂;越野滑雪运动中，运动员由于速度过快，失去重心向前跌倒时，膝部着地、导致膝关节遭受暴力撞击，此时胫骨屈曲并过度向前移动，也会造成ACL损伤。美国每年有10万人发生膝关节ACL损伤[2]。ACL断裂会引起关节间应力重新分配，容易导致继发性损伤，近年來，中国各项运动创伤病例数据分析显示，ACL常合并其他主要韧带损伤的概率达42.7%[3]。

膝关节ACL损伤一般经医学治疗后，需在后期的康复训练中佩戴支具。尽管用可调节支具取代石膏固定的方式在一定程度上避免了锻炼不当导致的受损韧带二次损伤，但目前国内所用可调节支具并不能针对特定患者进行个性化设计，而是统一大批量生产，因此很难精确贴合患者膝关节结构并模拟韧带的运动功能。对于恢复需求较高的运动员来说，一款符合生理结构及运动功能的支具尤为重要。

膝关节韧带损伤的康复治疗过程中佩戴个性化支具能加快患者康复，为此需要建立完整的全膝关节模型，分析膝关节ACL损伤或断裂情况下，膝关节及周围韧带的受力情况，为康复治疗过程中个性化支具的设计提供力学理论依据。

有限元分析是一种针对几何和数字化模型内部结构应变、应力的计算方法[4]，不但可以模拟不同荷载加载方式和约束条件，也可以模拟不同病理状态下的生物力学特征。对于传统生物力学和生物实验无法进行的人体结构复杂力学分析，有限元分析方法可以有效应对[5-7]。国内外学者在建立人体正常膝关节三维有限元模型的基础上，对正常膝关节受到股骨后向力载荷和联合力矩的两种情况下，对不同屈曲状态下膝关节韧带生物力学进行了有限元分析[8-10]，但针对发病率较高的膝关节ACL损伤或断裂后，膝关节其他主要韧带生物力学分析未做进一步分析。

本研究旨在通过有限元分析方法，通过逆向工程和计算机辅助设计，构建完整的正常人膝关节三维有限元模型和ACL断裂的膝关节有限元模型，模拟ACL断裂状态下膝关节运动时的其他各韧带的受力情况，以正常膝关节受力情况为参考进行对比分析，从受力分析结果为个性化康复支具的结构设计提供指导，最终设计出一款针对膝关节ACL损伤的个性化康复支具。

1 实验和方法

1.1 实验对象

选取1名健康的成年男性志愿者，年龄26岁，身高174 cm，体重70 kg，既往无膝部外伤手术史，经电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查其膝关节无可见器质性病变和畸形，与国内人体解剖学数据相符，有一定的广泛性。

1.2 设备和软件

1.2.1 设备

西门子64排螺旋断层扫描机;西门子Avanto1.5T超导核磁共振成像系统;联想E32 i7 7700k工作站。

1.2.2 软件

医学三维重建软件Mimics 19.0和3-matic（Leuven公司，比利时）;逆向工程软件Geomagic Wrap 2015（Geomagic公司，美国）、正向建模软件Solidworks2018（达索Simulia公司，美国）;有限元分析软件Ansys 19.2（Ansys公司，美国）;拓扑优化软件Inspire2018（Altair公司，美国）。

1.3 膝关节CT和MRI原始数据采集

志愿者取仰卧位，右侧膝关节于伸直位进行CT和MRI扫描，本次CT扫描得到层厚0.625 mm，层距0.4 mm连续二维断层图像850张;同时对膝关节进行MRI扫描，得到层厚1 mm的无间隔3D容积扫描图像256张，扫描获得的断层图像数据以DICOM格式刻录于光盘以供有限元软件读取和转化。

1.4 膝关节三维有限元模型的建立

采集DICOM格式的CT原始影像数据输入医学影像处理软件 Mimics 21.0，自动分割出冠状面和水平面，进行骨骼模型初步重建。将Mimics生成的骨骼STL文件依次导入Geomagic Wrap软件中进行多余特征处理并进行曲面拟合[11]。将Geomagic Wrap导出后的模型利用Solidworks 2018进行装配。根据MRI影像的韧带特征，利用3-matic建模软件构建韧带，建立了包括骨骼、半月板、软骨和主要韧带的膝关节有限元模型[12-14]。建模过程如图1所示。

把正常膝关节模型导入Ansys软件进行四面体网格划分，划分网格数为115 235，节点数为38 541，建立正常膝关节有限元分析网格模型，如图2 a）—c）所示。然后移除ACL，建立ACL缺失膝关节模型，模拟ACL完全断裂的情况，如图2 d）所示。

1.5 膝关节有限元分析方法

1）材料参数设定 定义骨骼部分为刚体，定义半月板、韧带及软骨为各向同性的弹性材料。实验中膝关节不同组织的生物力学数据参考文献[15]。表1为膝关节各组织的生物力学属性。

2）模型验证 保持此模型ACL完整，股骨和胫骨远端在6个自由度上约束固定，胫骨近端不受约束，给予胫骨134 N前向力进行模型验证[16]。采用胫骨134 N前向力是考虑到ACL主要有限制胫骨前移的功能，在实验中给予胫骨前向力，测量胫骨前移最有代表性[17-19]。模型在这一载荷條件下测得胫骨前移4.96 mm。这一数值与刘晓敏等[17]和鲍春雨等[20]在其研究中的结果较为接近，说明本实验模型具有可靠性。

接触和边界条件设定：各条韧带与相连的骨骼定义为摩擦接触，摩擦系数0.1;半月板、软骨与骨骼连接的部分定义为绑定接触;半月板与软骨定义为无摩擦接触，正常膝关节总共定义了19个接触，ACL断裂的情况下总共定义了17个接触。股骨不受约束，胫骨约束3个平移自由度和屈曲自由度[8]，使用Ansys中的Workbench模块进行模拟分析计算。

3）载荷条件 膝关节屈曲0°，30°，60°，90°状态进行以下两种情况分析：①股骨髁连线的中点受到后向134 N载荷时，分析股骨的前后、远近和内外位移，以及膝关节各韧带的受力情况，模拟医学临床多见的受力情况[21-22]，膝关节各方向的运动如图3所示;②对股骨施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的内旋力矩，模拟医学轴移实验。上述两种外力作用下，分别分析膝关节正常情况和ACL断裂情况下膝关节处其他韧带的受力情况。

2 膝关节有限元受力分析结果

在股骨髁连线的中点受后向134N载荷作用下，ACL完全断裂模型的股骨比正常模型股骨的前后位移、远近位移和内外位移明显增大。其中屈曲30°时，前后位移差和远近位移差值最大，分别为4.07 mm和0.27 mm;内外位移在屈曲0°时差值最大，为0.97 mm。详细位移情况如表2所示。

在股骨髁连线的中点受后向134 N载荷作用下和10 N·m的外翻力矩、5 N·m的内旋联合力矩的作用下，分析正常膝关节模型及ACL断裂模型在不同外力、不同屈曲角度受力情况，受联合力矩时的MCL影响最大，峰值应力数据如表3所示，受力云图如图4所示。膝关节正常和ACL断裂两种情况下韧带应力分布折线如图5所示。

图5能直观反映出ACL断裂会引起膝关节MCL，LCL和PCL应力的显著增大。在股骨髁连线的中点施加后向134 N载荷时，屈曲0°，30°和60°时MCL应力增量最大，屈曲90°时PCL应力增量最大。在施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的内旋力矩联合作用下，屈曲0°，30°，60°和90°时MCL受影响最大，应力增量最大。0°屈曲时MCL应力达到23.25 MPa，比正常值高出8.38 MPa。

3 个性化支具数字化设计

3.1 个性化支具的设计过程

为了设计与患者高贴合度的个性化康复支具，将腿部STL模型导入Geomagic中，选择支具外部轮廓，通过偏移加厚命令由曲面生成特定厚度的支具模型，然后利用精确曲面工具中探测轮廓线、编辑轮廓线、构造曲面片、构造格栅、拟合曲面导出STEP文件，如图6所示。

在支具可靠性满足医学要求的条件下，需要降低支具的重量并增加透气性。故将该STEP文件导入Inspire中，进行拓扑优化设计。设计的支具使用60°硅橡胶材料 （E=1 300 MPa，ν=0.48）的力学性能模拟，整体作为设计空间;载荷约束：根据韧带受力情况施加集中力、固定端、形状控制;设置质量目标为30%进行拓扑优化;用几何工具栏中PolyNURBS进行手动拟合重构，如图7所示。

3.2 个性化支具的虚拟穿戴受力分析

在患者膝關节屈曲0°且ACL断裂的情况下，使支具模型与患者膝关节的皮肤接触。综合考虑人体承受疼痛阈值[22]，患者可承受的最大束紧力为70 N，故本实验施加50 N的束紧力，将接触力通过皮肤、肌肉传递到膝关节骨骼韧带上，同时施加股骨后向134 N的推力。利用Ansys Workbench计算患者腿部的受力位移情况。结果表明股骨前后位移为4.22 mm，远近位移0.30 mm，内外位移为1.29 mm，与膝关节股骨正常情况的位移相似。LCL峰值应力为8.13 MPa，MCL峰值应力为7.97 MPa，PCL峰值应力为2.45 MPa，如图8所示，较未穿戴支具前的韧带应力有明显的改善。

在相同束紧力且膝关节屈曲0°的情况下，对膝关节同时施加10 N·m的外翻力矩和5 N·m的内旋力矩联合作用，经计算机仿真结果得知，该情况下膝关节LCL峰值应力为1.70 MPa，MCL峰值应力16.67 MPa，PCL峰值应力为2.57 MPa，如图9所示。

4 结 语

本实验正常膝关节有限元模型受到股骨后向134 N载荷与受到10 N·m外翻力矩和5 N·m内旋力矩联合力矩的计算结果与何川等[8]研究数值基本一致。在此基础上创新性的工作在于模拟了膝关节ACL断裂的受力和位移情况，给出定量的分析数据。ACL对限制胫骨前移有着重要作用，ACL的断裂会造成膝关节的失稳，在ACL断裂的情况下进行活动，还会对其他周围韧带尤其是MCL造成较为严重的间接性损伤。本实验有助于了解ACL的断裂对膝关节应力变化的影响，对个性化支具的设计和拓扑优化提供了思路。最后采用虚拟穿戴支具的方式，利用Ansys Workbench对该支具和膝关节组织进行了受力分析。分析结果表明，在ACL断裂的情况下佩戴此支具，可以明显减少其他各韧带的应力，对膝关节康复存在着积极作用。

本研究目前尚存在一些不足之处：1）实验中所加载荷是基于膝关节屈曲的静止位置，膝关节动态应力变化没有体现;2）本实验没有考虑膝关节其他组织如股四头肌、半腱肌等肌肉结构对膝关节受力的影响;3）本实验只使用计算机模拟人体穿戴支具情况的受力分析，目前尚没有制作出实物进行体外力学测试，后续研究将利用3D打印技术间接制作硅胶支具进行体外力学测试。

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