文摘

骨关节炎的进展可以伴随着关节软骨的变化与深度有关的属性。本研究的目的是确定后续变更在流体增压人工膝关节使用三维计算机模型。只有一小压缩femur-tibia方向的应用,以避免数值困难。关节软骨和半月板的材料模型包括流体、纤维和nonfibrillar矩阵不同的成分。膝盖模型包括远端股骨,股骨软骨、半月板,胫骨软骨,胫骨近端。软骨退化建模在高承载区域的股骨内侧髁减少纤维和nonfibrillar弹性和增加液压渗透率。三个案例研究实现模拟(1)从表面的软骨变性的发病区,(2)软骨退变的进展到中间地带,和(3)软骨退化到深区域的发展。与正常相比膝盖相同的压缩,减少液体增压退化中可观察到膝盖。此外,更快地减少观察流体压力与表面的软骨变性的发病区,发展到中间地带,相比发展到深区。另一方面,软骨变性在任何区域将会减少流体压力在所有的三个区域。 The shear strains at the cartilage-bone interface were increased when cartilage degeneration was eventually advanced to the deep zone. The present study revealed, at the joint level, altered fluid pressurization and strains with the depth-wise cartilage degeneration. The results also indicated redistribution of stresses within the tissue and relocation of the loading between the tissue matrix and fluid pressure. These results may only be qualitatively interesting due to the small compression considered.

1。介绍

骨关节炎(OA)是老年人残疾的最常见原因(1- - - - - -3]。在所有关节,膝关节OA的发生率最高(1,4,5]。OA的发病和进展与关节软骨的力学环境(6]。事实上,软骨形态学、生物合成和发病机制密切相关,其机械负荷(7]。因此,更好的理解软骨的力学行为,更好的治疗和预防战略计划。

骨关节炎报发起了从软骨表面恶化或cartilage-bone接口(8]。前者被认为是表面磨损或分裂的结果,后者由于高刚度梯度cartilage-bone接口(8,9]。机械环境的改变,如应力、应变,和流体流动,影响软骨细胞的生物合成10),最终导致组织变性和损失和暴露的骨头表面直接接触。

OA是从表面开始时,进行一层一层地从浅区中间,最后深区(11]。在这个过程中,每一层的组织受到机械的改变环境;例如,应力、应变和更深的层中的流体压力可以通过退化改变表面的层。

深度方面的机制(一层一层地)膝关节OA的进展必须受到多个联系人之间的软骨组织,包括股骨软骨、半月板,胫骨软骨。几个因素可能是重要的接触力学的膝盖。首先,这些组织的3 d几何显然是一个主要参数,确定了接触面积和接触载荷的分布。第二,液体增压在这些组织中扮演着重要的角色在膝盖的机械功能,因为膝盖压缩与高流体压力在这些软骨组织(12]。此外,与深度有关的组织属性,通常由三个离散的区域特征,也可能影响关节的力学行为。

已经取得了很大的进步在计算OA建模中,与主要的简化几何包括不切实际的边界条件和材料特性包括缺乏流体和纤维的特性。对于那些研究流体压力,一些认为没有半月板的膝盖球面接触(13- - - - - -15];其他建模的无侧限抗压强度测试。PG枯竭和胶原蛋白降解的影响研究通过减少模量的两个成分,分别为(16]。无侧限使用几何与原纤维增强模式17]。在另一项研究中,办公自动化是建模与深度有关的的方式18]。基于值与深度有关的属性被用于软骨在文献中报道(19]。再一次,无侧限抗压强度几何是研究中使用。取得的主要进展最近在膝关节OA建模三维几何和流体压力在关节软骨被实现(20.]。在这个最新研究流体在半月板忽视,这可能影响关节的接触力学的预测。此外,与深度有关的力学性能没有纳入研究。

计算机模型可以提供一个有效的工具来检查的影响软骨变性接触力学,尤其是完整关节内的流体压力。我们试图研究与性器官的接触力学有限元(FE)的正常和膝关节骨关节炎的模型。软骨组织的材料模型包括nonfibrillar矩阵,纤维、流体和与深度有关的属性。我们假设,由于扰动引起的OA,组织中的流体压力与给定的膝盖会减少压缩(位移控制)。检验这个假设一个正常模式与案例研究,深度方面进展的软骨变性实施。

作为第一步对我们的办公自动化建模的膝盖,软骨退化被认为在高承载区域的内侧髁。这是一个地区的病变更有可能发展到深层(9,21,22),尽管OA病变也在其他网站发现股骨软骨(21,23]。内侧髁被选中,是因为它被认为携带高负载相比,外侧髁(24]。内侧髁报道更容易OA发展均正常(25]和膝盖ligament-deficient [26- - - - - -28]。内侧髁经历了最快速的病变进展(29日]。

2。方法

几何模型重建的MRI图像的右膝27岁的男性,没有症状的OA (SPGR序列,μm分辨率,矢状扫描)。模型包括远端股骨,股骨软骨、半月板,胫骨软骨,胫骨近端(图1)。股骨软骨的最大厚度约2.8毫米,和半月板的最大厚度是8.4毫米30.]。

软骨组织,股骨软骨、半月板,和胫骨软骨,被认为是fibril-reinforced流体材料。fibril-reinforced本构法是使用模型的固体组织作为一个线性nonfibrillar矩阵非线性纤维增强的矩阵(17]。因此,要求两个材料属性定义nonfibrillar矩阵,即弹性模量和泊松比。纤维矩阵是三个正交方向的特点是弹性模。小变形情况下的考虑在目前的研究中,这些模简化为相应的拉伸应变的线性函数,例如,对于当地的方向 纤维的抗压刚度矩阵是被忽视的,因为纤维主要支持拉伸加载。请注意,方向可以面向不同方向不同的网站。因此,三维胶原蛋白定位可能因此合并。为了描述孔隙流体流动,介绍了正交的液压渗透率每达西定律,例如,为当地方向 在哪里是渗透率的分量,这是消极的比率分的流体速度,,分的流体压力梯度,。简单地取代下标在(1)和(2),或得到的相关方程吗或方向。

与深度有关的属性被合并股骨软骨;即组织属性随表面,中间,和深区近似之前(31日]。在纤维表面区,面向分裂线记录显示表面([32];从图2 (30.])。在中间区域,纤维没有任何特定的取向。在深区,他们垂直cartilage-bone接口。半月板,主要面向纤维在圆周方向上。没有首选纤维方向被认为是胫骨软骨由于缺乏数据。

地对地接触定义阐明表面使用有限元分析6.10之间。即股骨软骨和半月板之间的联系被定义,股骨软骨和胫骨软骨、半月板和胫骨软骨。没有流体软骨和骨骼之间的假设。独立软骨和骨骼是网状。然而,在现实中,牢牢地附着在骨软骨。没有相对运动的cartilage-bone接口。这个接口条件建模使用领带接触选项提供的有限元分析;股骨软骨与股骨,胫骨内侧和外侧胫骨软骨与,和半月板角与胫骨软骨每个半月板的两端。

0.1毫米的坡道压缩应用在1 s的股骨胫骨的底部是固定的。膝盖已经全面扩展。作为一个边界条件,自由表达表面(不接触)被分配到流体压力为零。

整合过程的有限元分析是用来分析准静态问题。为软骨组织,多孔元素与流体压力。20-node二次元素被用于股骨软骨,和8-node线性元素被用于胫骨软骨和半月板。使用不同的元素类型的选择之间的软骨是妥协的结果收敛更快的联系,更好的流体压力分布。20-node元素提供更好的数值精度的流体压力但显著减缓接触收敛。我们20-node元素用于股骨软骨,因为这是关注的结果。这些骨头是网状与固体元素。没有考虑流体压力的骨头,因为它是不那么重要的承载比,在软骨组织由于3-order更高的刚度的骨头。

为了理解OA的深度方面进展的机制,正常的和三个退化性案例研究计算实现。在第一种情况下,扰动实施只在表面区域。在例2中,扰动是肤浅的和中等区域中实现,并在案例3中,扰动实施在所有的三个区域。正如前面所讨论的,当地软骨变性中实现高承载区域的内侧髁股骨软骨(图2有界的虚线)。所有其他组织都认为正常。这三个案例模拟表面的软骨变性的发病区,发展到深区。

以下扰动退化软骨的实施:磁导率增加了50%,纤维的杨氏模量矩阵是减少了70%,nonfibrillar矩阵的杨氏模量下降了65%,纤维的取向并没有设置任何特定的方向。材料的性质正常的组织总结在表1,这主要是基于先前fibril-reinforced建模与组织外植体(31日,33]。我们假设在退化软骨的厚度没有变化,因为只有早期退化被认为是。因此,同一组织几何用于正常的和三个案例研究。

3所示。结果

这里介绍的所有结果均为斜坡压缩之前放松的结束。股骨软骨中的流体压力图所示2表面层和图3深层。在两层,没有显著改变压力的外侧髁图(左)在内侧髁软骨变性先进从浅到中间,然后深区(正常案例1案例2例3)。内侧髁的孔隙压力与变性的发展大大减少。这是真实的流体压力的表层或深层。

深度变化的流体压力变性网站数据所示4,5,6。组织的压力减少深度在所有情况下。然而,组织厚度方向上的压力梯度逐渐减少,软骨退化为给定的膝盖压缩,减少较大表面区域(图4)。深度变化也是特定场地;它可以更容易地在高承载区域(数据5和6)。

正常组织应变沿深度的分布也与变性改变内侧髁(图7)。这一毒株与组织的横向膨胀压缩厚度方向。压力小的表面区域因为更多面向纤维有克制的横向膨胀并没有直接联系。然而,第一主应变实际上是在浅区高于中间和最深层区域由于高剪切菌株在表面(没有显示)。第一主应变在最深的层是最大的情况下3(图8),主要是因为大型cartilage-bone界面的剪切应变情况3(横向应变如图7在最深的层)并不是最大的。

比正常的情况下,剪切菌株在cartilage-bone界面减少软骨变性在浅区(图9,例1与正常)和进一步减少当变性进展到中间区(图9,例2和例1)。然而,剪切压力最终被提出时高于正常软骨变性发展到深区(图9、案例3与正常)。注意,这些剪切应变与剪切应力有关和,这可能会导致剪切破坏cartilage-bone接口(是组织厚度方向)。

4所示。讨论

液体增压在软骨组织的模型被认为是在人类的膝盖软骨变性解剖精确几何的联合。地带性差异被认为是为了模拟退化从浅到深的发展区域。我们的假设是积极测试:对于一个给定的压缩位移控制,模型预测减少流体增压(数字2- - - - - -6)尽管含水量增加,软骨退化。的流体压力能支持大部分负载应用于软骨(12),被认为是部分的机制来减少关节摩擦34),从而减少OA发起组织表面的机会。此外,减少流体压力的本研究中观察到的位移控制显示增加关节摩擦和增加负载的支持组织矩阵joint-force-control的情况。可能会导致OA的进一步发展和恶化的组织。

上层区软骨变性的发病也导致减少流体压力较低的区域;例如,退化表面区域将会减少流体压力在中间和深区(图4、案例1)。由于流体增压熊高加载的组织,这个结果同意保护作用的深层的表层,所建议的实验和计算研究[35,36]。

此外,流体压力降低时迅速退化开始从表面区域和发展中间区域,然后在一个更低的利率降低时变性先进到深区(图4)。这是最有可能的结果不同纤维方向的三个区域。在纤维表面区,面向无关地抵抗横向膨胀下膝盖压缩,从而产生巨大的流体压力。一些切向中间纤维区也应该有助于提高流体压力。然而在深区,垂直纤维压缩,因此不明显导致流体增压。因此,在深水中的胶原蛋白变性区会导致流体压力变化组织低于退化的肤浅和中间地带。

cartilage-bone界面的剪切压力大幅增加,软骨退化到深区(图9、案例3与正常)。这可能是由于软骨变性在深区进一步增加了高梯度材料特性的深底层骨软骨。伟大的剪切应变cartilage-bone接口可能导致裂隙,这最终导致OA (37- - - - - -39]。的高梯度材料特性被认为增加损害的可能性cartilage-bone接口(8,37]。令人惊讶的是,界面的剪切压力减少的情况下1和2在变性的发展到深区(图9、案例1或2对正常)。减少的原因可能是由于流体压力及其组织深度方向上的梯度而深区材料属性保持不变的情况下1和2。注意膝盖压缩了在目前的研究(位移控制)。剪切菌株可能没有减少在1和2情况下,如果联合部队(力的控制)。

低杨氏模和高渗透率是本研究中使用的模拟软骨退化,在协议的数据文献[40,41]软骨的抗压模量降低,分别为18%和87.5%,含水量增加,分别为79.9 -81.6%和84.1%,在温和的和先进的办公自动化41,42]。根据另一项研究中,由于办公自动化,人工关节软骨的抗压和抗拉模下降了55 - 68%和72 - 83%,分别,渗透率增加了60 - 80% (43]。人类胫骨软骨,抗压刚度下降了29% (44];抗压是由于OA(增加了71%45]。后六个月前交叉韧带断裂、犬类软骨的抗压模量下降了25%,而渗透率增加了~ 48%术后12周(46,47]。我们使用温和的从这些测量值。

减少表面流体压力与OA也只报道类似的现有研究[20.]。这是在研究中发现,通过软骨应力分布深度也是表面的纤维取向的影响。本研究的附加功能包括流体压力在所有软骨组织和充分考虑与深度有关的力学性能。我们进一步模拟深度方面从浅到深区软骨退化。结果,目前的结果不仅表明,变性的表面层减少深层的流体压力,同意现有的研究(20.),但也更深层的变性降低了流体压力在表面层。

本研究的主要限制是由于小膝盖压缩(100μ米)是应用于一个相当低(100μm / s)的计算机仿真。我们的选择是由于接触收敛缓慢和高需求的计算时间造成的高分辨率网格与地带性差异相关的元素。八层元素的网状组织厚度方向有2、4和2层的元素,分别为浅,中间,和深区。这个网需要几倍计算时间,相比前一层网格当地带性差异被忽略了30.,48]。花了大约一个星期完成1 s模拟在4个CPU工作站上。此外,我们有时未能获得收敛的结果更大更快或按压时应用。进一步验证正在进行中。因为小压缩,一个主要关心的是结果是否被引入的几何误差在MRI分割和元素啮合,如错误的表面曲率和组织厚度。尽管这种错误确实存在,他们可能是在100年与一个较低的水平μm。(表面施工的质量可以积极从连续的孔隙压力的变化。错误在几何建筑已经被独立研究小组检查,例如,(49]。)其他限制包括渗透压的遗漏和实验室的使用加载条件。

本研究中使用的相同的压缩;也就是说,位移控制用于比较。而加载力的控制协议通常被认为是更现实的,不同阶段的膝关节OA可能不会经历相同的力量。随着办公自动化的发展,病人往往应用的负载降低患病的一边(50]。另一方面,它更方便和容易解释结果当使用位移控制的计算机模拟和实验室测试。从理论上讲,位移控制的结果可以定性解释力的控制。因此,为了简单起见,我们选择了位移控制。

这里给出的结果应该定性正确,尽管使用的大小是不现实的,因为小而慢压缩在目前的研究中。改变由于变性会被放大的情况下生理上现实的压缩。这是由于非线性和压缩相关的负荷响应的关节。如果一个更大的压缩应用,流体压力的健康软骨将非线性增加由于正常胶原网络组织,而退化软骨的压力将增加更慢由于疲软的胶原蛋白网络。出于同样的原因,如果相同的压缩应用更快,流体压力会增加更快健康软骨的退化软骨。换句话说,不同的流体增压健康退化软骨会放大级压缩和压缩率。这是理解从先前的研究软骨移植组织:负荷响应的非线性和应变率依赖软骨主要是由胶原网络的属性(17,51,52]。

这项调查的结果揭示了微扰的材料属性和纤维取向的影响在膝关节力学,在发展的过程中OA的软骨表面cartilage-bone接口。临床研究表明软骨缺陷的深度作为一个参数,描述OA严重程度(53]。计算模型可用于研究的影响这对膝关节的力学参数。此外,在膝关节力学缺陷深度的角色可以更好地理解如果计算模型考虑嵌入在一个解剖精确的几何形状与深度有关的属性,研究显示。在描述本研究的发现可以实现OA严重基于软骨损伤的深度。事实上,办公自动化的发展是一个多因子的现象包括改变组织的机械性能、纤维取向的扰动,软骨组织损失,和软骨病变的大小和位置20.,53- - - - - -55]。在这项研究中,前两个参数的影响研究,而其他因素将在未来调查的重要性。

总之,我们决定改变流体压力和紧张的关节软骨的局部组织变性股骨内侧髁。这些结果可能会提供新的信息理解骨关节炎的进展。正如前面所讨论的,软骨变性导致液体增压和减压的功能梯度组织,这意味着减少润滑关节和增加负载支持组织矩阵。结果还表明,一旦开始阐明表面软骨退化,最终促进深层。这便利化是通过减少流体增压在所有三个地区有更大的表面区,减少损坏的与深度有关的结构组织。特别是,表面区域的软骨变性可能增加cartilage-bone界面损伤的可能性。

利益冲突

作者没有利益冲突披露。

确认

本研究支持的部分加拿大自然科学和工程研究委员会和加拿大卫生研究院的研究。