人体膝关节半月板在体应力负荷下的形变模式研究

Meniscus is one important structure of loading transmission in knee. Meniscal injury may initiate or aggravate the progression of knee osteoarthritis. Presently, the understanding of meniscal deformation under in vivo loading was extremely limited, and due to the lack of such knowledges, the principal theories were insufficient in the early evaluation of meniscus repairing and the developing of synthetic meniscus. Therefore, obtaining the deforming patterns of meniscus under in vivo loading and understanding the differences of meniscal behavior in variety mechanical circumstances will be a key research direction. Previously, we acquired the knee MRI images from 20 normal adult volunteers, and the methodologies of reconstruction and 3D comparing of reconstructed models were comprehensively developed. Based on the research work above, we plan to develop and further improve an MRI compatible in vivo loading device for obtaining the MRI images of normal menisci under various mechanical conditions, and furthermore to achieve 3D reconstruction models based on the MRI data. By applying the 3D evaluating solutions we developed, the meniscal deformation patterns under in vivo mechanical loading and the geometry of meniscus and its attachments with different loading conditions will be assessed. Finally, the expected outcomes of the current project can be regarded as theoretical basses in the early evaluation of meniscal repairing and the developing of synthetic meniscus.

半月板是膝关节内重要的力学传递结构，其损伤会产生或加剧膝骨性关节炎的发生与发展。目前人们对于半月板在体负重下形变情况的了解非常有限，这使得对于半月板的早期治疗评估及人工半月板的研发缺乏相应部分的理论支撑。因此，获得半月板的在体力学负荷下通常形变模式，及不同力学情况下的表现差异便异常重要。前期我们获得了20例中国正常成人的膝关节MRI扫描数据，并已经建立了完整的MRI数据重建以及三维模型形变及位移的测量评价方法。在上述基础下，本项目拟研发优化MRI匹配性下肢力学负荷设备，并通过应用此设备对正常成人膝关节进行MRI扫描，以获得在不同受力情况下膝关节半月板的三维重建模型。通过应用前期建立的三维形变比对方案，获得并总结人体膝关节半月板及其附着点在负荷下的形变模式，以及在不同力学条件下的形态表现差异。本项目所获得的预期成果可作为理论基础，对临床半月板治疗的早期评估及半月板假体的研发起到指导作用。

研究背景: 半月板是膝关节内重要的力学传递结构，其损伤会产生或加剧膝骨性关节炎的发生与发展。目前人们对于半月板在体负重下形变情况的了解非常有限，这使得对于半月板的早期治疗评估及人工半月板的研发缺乏相应部分的理论支撑。因此，获得半月板的在体力学负荷下通常形变模式，及不同力学情况下的表现差异便异常重要。.主要研究内容: 首先进行MRI 匹配型下肢力学负荷设备的研发制作: 基于文献记载的下肢加压设备研发制作可应用于MRI下半月板形态研究并可改变屈曲角度的实验设备；其次获取正常国人半月板解剖数据：纳入29例正常成人志愿者进行双膝的MRI扫描，并进行半月板的三维重建以获得国人半月板的形态学基本数据；之后通过测量膝关节骨性标志点与半月板关节线之间距离获得骨性结构与软性关节线的空间关系；最后研究力学负荷下半月板的形变情况：筛选6名健康成年志愿者进行优势膝的加压下扫描，通过应用本项目研发的力学加压设备分别对膝关节进行0-30°，非加压与加压下的MR扫描，加压强度为50%体重。通过三维重建与三维比对分析最终获得不同负荷情况下半月板的量化形变模式。.结果与科学意义：首先，研发的MRI匹配型下肢加压设备可在无磁及无伪影的条件下为下肢MRI扫描带来最大200N的加压状态，且可在MRI扫描时平稳维持。该设备可广泛应用于骨科临床实践与医学研究。其次，对正常国人半月板解剖学研究揭示了国人正常半月板形态学的特点及变化规律。再次，基于半月板股骨关节面定义的膝关节关节线与股骨髁收肌结节之间的直线距离与股骨髁宽度间呈现正相关，该研究结果给出了骨性标志点与基于半月板平面测量的软性关节线之间存在恒定的相关性。最后，负重下半月板形变结果显示：负重时半月板形变更加剧烈，屈曲位时半月板后角的形变可增加30%；外侧半月板活动度在负重时相较内侧有显著增加。本研究所获得结果可阐释半月板在关节内生物力学及形态学现象，建立半月板损伤与临床治疗的形态学评价标准，最后提供人工半月板的研发基础。