膝骨關節炎生物力學行為及其與解剖學特徵關聯的研究

《膝骨關節炎生物力學行為及其與解剖學特徵關聯的研究》是依託上海交通大學，由徐卿榮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：膝骨關節炎生物力學行為及其與解剖學特徵關聯的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐卿榮
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

膝OA力學致病因素的具體機制還不十分清楚。我們前期的研究發現正常膝關節具有應力和應變分布不均的生物力學行為，文獻中也有類似的報導。在膝OA進展過程中半月板和關節軟骨受到的應力高於正常狀態，尤其是內側顯著高於外側，這與臨床上大多數病例和經典動物模型的膝OA大體病理特徵和影像學特點高度吻合。同時，膝OA關節軟骨缺損部位的中心和範圍隨著病變進展發生位移。我們推測這些解剖學特徵的變化與生物力學行為的改變存在一定的關聯。為了證明以上推理，本項目擬套用工科力學分析的仿真方法研究活體膝OA病變過程中生物力學行為的改變，以及由此產生的膝關節解剖結構相應變化，深入闡明力學因素的膝OA致病機制,以及膝關節生物力學行為改變與解剖特徵變化的對應關係，為早期通過各種干預手段重新分配膝關節的應力負荷減緩OA的進展提供理論依據。並且嘗試通過工程學方法確定膝關節的瞬時中心曲線，探索膝關節運動學的仿真研究。

結題摘要

本項目利用活體膝關節CT和MRI影像數據，通過多種仿真軟體協同套用構建了具有個體化解剖特點的膝關節三維有限元模型，進而採用力學分析的仿真方法研究膝關節生物力學。通過正常膝關節、輕度骨關節炎(osteoarthritis, OA)膝關節、重度OA膝關節生物力學仿真分析，系統地研究了膝OA病變不同階段，股骨軟骨、脛骨軟骨、半月板生物力學的應力分布特徵。發現正常膝關節存在內外間室應力分布不均特點，為OA發展始動因素。隨著OA的病情發展，正常膝關節內外側間室分布不均的生物力學特徵在OA進展中沒有得到改善，反而進一步加大。內側間室的應力改變較外側間室更為明顯，應力分布區域發生位移，引起膝關節生物力學紊亂，導致OA進展，並逐步產生惡性循環，致使膝關節解剖結構在應力作用下的損傷與修復失衡，最終出現OA特徵性的解剖結構變化，尤其表現在內側關節間室。膝關節結構的變化加劇了膝關節應力分布不均情況，受力區域發生異常改變，局部應力異常集中，導致關節軟骨損傷與修復失衡，進而發生不可逆病變，引起軟骨損傷，甚至軟骨的缺損, 關節軟骨不能維持其傳導載荷和降低關節內接觸應力的功能，導致膝關節力學環境紊亂，在膝關節應力最大受力區域發生退變行改變，進一步推動OA的進展。通過對關節內應力分布和骨贅形成對照發現，骨贅形成是關節對生物力學行為改變的反應。關節內低應力區域骨贅增生明顯。應力集中區域軟無明顯骨贅生長，自我修復功能受限;而應力較小的區域關節進行自我修復過度，形成骨贅。在此基礎上，通過模擬軟骨缺損和半月板損傷，發現股骨內髁關節軟骨缺損面積達到變化閾值後，膝關節擠壓和剪下應力峰值明顯增加；半月板的損傷影響生物力學分布，加重應力集中趨勢。對膝關節瞬時中心曲線（instant center curve, ICC）研究表明，ICC形態變化與膝關節OA進展密切相關；隨OA的發生與加重，ICC呈曲率變小、曲率半徑增大的趨勢，瞬時中心運動發生偏移，脛股關節表面在運動表面由正切性滑動，而變為分離和擠壓運動，表現為輕度OA和重度OA膝關節的骨、軟骨和半月板表面應力顯著增高，膝關節生物力學狀態發生改變，應力集中位於內側間室，加重OA膝內翻趨勢，從而導致膝關節生物力學行為進一步改變。