膝關節急性損傷的發生率高。半月板是膝關節內的一塊軟骨，承載運動負荷，促進人體穩定性。半月板部分或全部撕裂是最常見的膝關節損傷之一：在美國，每年約有70萬例半月板部分切除術是由半月板損傷引起的。半月板撕裂的診斷目前最常用和準確的方法是磁共振成像(MRI)。然而，核磁共振是一個昂貴和耗時的過程，需要笨重的設備，實驗室條件和熟練的人員。此外，MRI在康複期間對關節的術後評估的準確性對於骨科醫生來說仍然是有局限的，在許多情況下可能是不可行的 。 在急性損傷的早期進行關節鏡手術也被廣泛認為是一種微創方法，以避免病理導致的膝關節退行性改變，但是這種技術仍然被認為是一種外科手術，因此非侵入性的替代方法將是首選。
使用外部振動源刺激膝關節並測量其響應可以作為解決當前基於振動的膝關節健康監測係統局限性的工具。利用各種基於振動的技術，如模態分析和基於波的方法，對振動在人體中的傳播以及振動聲學特性與軟組織結構完整性之間的相關性進行了研究。主動振動測量技術跟蹤生理組織結構完整性變化的能力可以擴展到使用機械結構中常用的結構健康監測(SHM)技術分析問題的嚴重性。基於振動的結構健康監測方法被廣泛應用於各種結構的損傷檢測中。
在這項研究中，進行了一個基於振動的膝蓋頻譜分析，以探討這種技術在檢測膝關節半月板損傷的發生和嚴重程度的能力。設計了一種模擬半月板損傷不同階段的手術方法。利用外部機械振動獲得關節在各個階段的振動傳遞率。建立了膝關節的梁模型，對損傷對膝關節振動響應的影響進行了定性和對比分析。
在這項研究中使用了從 六個新鮮、冷凍的人類屍體膝蓋。兩條腿的平均年齡為63.6歲± 9.5歲。在實驗之前，腿被儲存在−20°並在室溫水浴中解凍10小時。腿部沒有任何重大膝關節疾病史，包括受傷、關節炎或手術。 在收集數據之前，對每個屍體肢體進行手動、重複的屈曲伸展，以確保關節完全解凍並始終處於良好狀態 。在腿部允許的全角度運動範圍內進行手動屈曲伸展，無需過度用力，並至少進行10個周期。
本研究考慮了四個試驗階段來模擬半月板損傷的影響，包括基線檢查、假手術、半月板撕裂和半月板切除術。在解凍和預處理的膝蓋上進行初始測量，並將數據用作基線。假手術包括在淺內側副韌帶(MCL)前方4厘米的皮膚切口，切口與膝關節囊上的關節線(大約在脛骨平台上)平行。在創建這個切口後，內側半月板暴露出來，並準備在下一階段進行手術改變。為了確保半月板完好無損，在進行振動試驗之前，應格外小心，並用連續縫線縫合切口。接下來，為了模擬半月板的放射狀撕裂，將縫合皮膚切口的縫線切開以接近半月板，並用手術刀從內側徑向切開半月板。在對改變的膝蓋進行振動測量之前，再次將穿過皮膚的通路與假手術相同地縫合。最後，切開縫合線再次暴露半月板，並進行半月板切除術。在這一階段，手術切除模擬撕裂前半月板的一個5毫米寬的放射狀截麵，並在收集最終測量值之前縫合切口。
損傷步驟
振動測試是通過將屍體腿放在定製的可調節支架上，使膝蓋保持在45度°。使用兩條尼龍搭扣帶和兩塊隔音泡沫將樣品固定在支架上，以盡量減少通過支架傳遞的環境噪聲。振動器在脛骨遠端脛骨結節內側關節中心的位置激發腿部振動，記錄刺激振幅和靜態和動態力。將兩個微型、高靈敏度和低質量的加速計 放置在膝蓋中心上方關節的內側和外側。加速計由一條薄的雙麵膠帶和一條軟背膠帶固定，以便在傳感器背麵提供一定程度的壓力，並確保傳感器和皮膚之間有更好的接觸。並設計了一個膝蓋的模型。
膝關節振動刺激裝置
半月板撕裂的發生可以在不同階段的特定頻段中檢測到。內側和外側加速計都能在中心頻率分別為3000Hz和2500Hz的400 Hz左右的頻帶上檢測到撕裂。通過進行半月板切除術來增加損傷的嚴重性，加速計能夠利用在半月板撕裂階段觀察到的高頻區域之外的低頻率下的RMSD值來檢測結構的變化。半月板切除術可通過內側和外側加速計在800 Hz左右的頻率檢測到。損傷可檢測尺寸與彈性波傳播頻率之間的關係是SHM中一個眾所周知的現象;由於波長較小，高頻波可以攜帶有關較小缺陷的信息。
選擇與變化最顯著的頻率範圍相對應的RMSD值作為能夠檢測與半月板破壞相關的膝關節結構變化的頻率響應測量特征。在內側和外側加速度計中，分別選擇2.9 kHz和3.3 kHz，以及2.4 kHz和2.7 kHz的頻率來檢測半月板撕裂。使用0.1khz和1.3khz，頻率在0.6khz和1.1khz的頻率，分別用於檢測內側和外側位置的半月板切除術。由於屍體腿部沒有活組織，半月板撕裂對膝關節振動特性的影響僅限於梁模型的邊界。換言之，損傷不會影響股骨和脛骨的結構，隻會改變模型中表示為扭轉彈簧的半月板剛度。在活體受試者中，半月板損傷也會影響關節組件的特性，包括骨、軟骨、關節液、半月板、肌腱、韌帶和膝關節囊周圍的其他軟組織。
本項工作的結果顯示了在診斷和分級半月板損傷的外部振動刺激的潛力。然而，值得注意的是，這項研究有一些局限性。這項研究僅限於6具屍體肢體，在未來的工作中需要增加樣本量，以確定更普遍地捕捉半月板損傷對膝關節振動響應影響的具體頻率範圍。
