ACL对于维持膝关节的稳定性具有重要的作用，但是其损伤却频繁发生于体育运动中。ACL重建手术，作为目前治疗ACL损伤的主要方法，却仍存在着诸多问题和争议。本研究从生物力学的角度出发，通过系统地总结和分析国内外关于ACL重建领域的研究，发现了其中存在的若干问题，并在前人工作的基础上，利用数值仿真的研究手段，进行了以下工作：

    针对关节面附近软组织和骨组织的形变和相互作用，建立了具有较高精度的膝关节有限元模型，并着眼于关节面形变和接触情况对膝关节模型进行两项验证以确保模型的精度。本研究根据一名30岁健康男性膝关节的核磁共振影像，建立了膝关节的有限元模型。模型包括了膝关节的皮质骨、松质骨、软骨下骨、软骨、韧带和半月板组织。为了较精确地模拟膝关节面附近组织的力学响应，分别采用了正交各向异性的实体单元和只受拉不受压的一阶桁架单元束来模拟半月板的主体部分和前后角部分；并且将骨组织分为了皮质骨、软骨下骨和松质骨分别加以考虑，并赋以不同的材料属性。为后续研究关节面附近组织的力学响应奠定了基础。

着眼于关节面附近软组织的变形和接触情况对膝关节模型进行两项验证：（a）以屈膝45度时半月板的真实变形为标准，仿真计算得出的半月板变形与之基本重合，两者的偏差在核磁图像像素误差的范围。（b）对膝关节施加一系列的竖直压力，以实验得到的内外侧关节面上的接触面积为标准，仿真计算得出的关节面接触面积始终在实验的标准差范围内。本研究的验证充分考虑了关节组织的非线性和大变形的效应，为后续ACL重建的生物力学研究提供了保证。

本研究在正常膝关节模型的基础上分别建立了单束与双束ACL重建的膝关节模型。分析了膝关节在3种典型载荷作用下的应力分布情况。研究发现，ACL重建后骨隧道周围发生了应力遮挡，可能引起骨隧道的形态发生改变，成为骨隧道扩大的诱因；局部软骨下骨的应力发生增长，可能影响软骨正常的生理活动，成为骨性关节炎的诱因。与单束重建相比，双束重建后相邻骨隧道之间发生了显著的应力集中，可能导致两隧道间的骨损伤，与临床上骨隧道穿透的症状相吻合。

本研究首次采用了应力改变率这一指标来衡量手术前后应力分布的差异。应力改变率的分布情况从归一化的角度同时反映了高应力区和低应力区应力改变的程度，从而较清晰直观地显示出ACL重建前后骨隧道周围的应力改变情况。

图: ACL重建对胫骨上力学环境的影响