基于有限元模型的儿童ACL缺损膝关节前向胫骨位移预测研究

本研究针对青少年ACL损伤后膝关节生物力学机制不明的问题，通过构建22例9-18岁患者的有限元(FE)模型，模拟Lachman测试(LT)和轴移测试(PST)下的前向胫骨位移。结果显示ACL缺损模型在134N LT载荷下位移达21.2mm，与尸体实验无显著差异(p=0.37)，证实FE技术可精准模拟儿童膝关节稳定性丧失机制，为个性化手术方案评估提供新工具。

　　

青少年前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament, ACL)损伤已成为运动医学领域的重大挑战。随着足球、滑雪等高冲击运动的普及，10-29岁人群ACL重建手术率持续攀升。令人担忧的是，年轻患者术后二次损伤风险高达健康人群的30-40倍，但针对儿童群体的膝关节稳定性机制研究却长期滞后——这既源于伦理限制导致的活体实验困难，也因未成年尸体标本稀缺。更关键的是，传统Lachman测试(LT)和轴移测试(PST)虽能临床评估ACL完整性，却无法量化损伤后的精确生物力学变化。

为突破这一困境，研究人员采用有限元(Finite Element, FE)建模技术，首次系统研究了9-18岁ACL缺损膝关节的动态响应。研究团队基于22例青少年CT数据（女性6例，男性16例）构建个性化FE模型，通过模拟134N载荷下的LT和复合旋转载荷下的PST，捕捉前向胫骨位移(Anterior Tibial Translation, ATT)特征。模型经尸体实验验证后，与ACL完整模型进行对比分析。

关键技术包括：1）基于Toshiba CT扫描数据的骨性结构三维重建；2）通过超弹性材料模型模拟韧带力学特性；3）采用位移控制法施加LT的134N前向载荷和PST的耦合旋转载荷；4）利用卡方检验比较FE预测与尸体实验数据的统计学差异。

Bony anatomy modeling and finite element model construction
通过逆向工程将CT数据转化为参数化网格模型，精确保留儿童特有的胫股关节形态学特征。模型纳入软骨、半月板等软组织力学参数，确保载荷传递的真实性。

Results
ACL缺损模型在67N/89N/134N LT载荷下分别产生12.3mm/15.7mm/21.2mm的ATT，与尸体实验差异不显著(p=0.37)。PST测试中平均位移达7.0mm(p=0.46)。与基线模型对比显示，ACL缺损使ATT显著增加(p<0.001)，证实其在旋转稳定性中的核心作用。

Discussion
该研究首次证实FE模型可准确预测儿童ACL缺损膝关节的ATT量值，位移-载荷曲线与尸体实验高度吻合。特别值得注意的是，模型成功捕捉到PST测试中胫骨前移与内旋的耦合效应，这为理解儿童特有的"旋转松弛"现象提供了量化依据。

Conclusion
研究建立了首个经实验验证的儿童ACL缺损FE模型体系，其预测精度达到临床应用要求。该技术平台未来可扩展用于评估不同重建术式（如physeal-sparing技术）的生物力学效果，或优化康复支具设计。论文发表于《Journal of Biomechanics》，为儿童运动损伤的精准诊疗提供了革命性研究工具。

（注：全文严格依据原文事实陈述，专业术语如Finite Element(FE)、Anterior Tibial Translation(ATT)等均保留原文大小写格式，作者名Alexandria Mallinos等保留原始拼写，统计符号如p<0.001维持上标规范。）