半月板三维有限元模型建立及力学分析

目的:建立正常膝关节及半月板三维有限元模型,较真实模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点,通过初步有限元生物力学分析验证模型的有效性,并阐释半月板的部分生物力学机制。方法:利用CT和MRI扫描一健康男性志愿者膝关节获得其图像信息,导入至Mimics 10.01及Geomagic Studio软件构建膝关节各组织结构三维模型,利用ANSA软件对结构模型进行组合建立完整的膝关节模型,并对模型进行网格划分,最终建立了完整膝关节三维有限元模型。最后将有限元模型导入到ANSYS软件中,设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,验证模型有效性,并分析半月板的生物力学特性。结果:所建立的模型包含膝关节骨、关节软骨、半月板及主要韧带结构,能有效模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点。内侧半月板接触面积为771.05 mm2,外侧半月板接触面积为634.31 mm2,内外侧半月板接触面积比为1.216。内外侧半月板的应力分布均匀,但内侧半月板所受应力高于外侧半月板,其峰值应力分别出现在内侧半月板后角及外侧半月板前角,其峰值应力为4.11 MPa。半月板最大位移位于其体部,内侧较外侧形变更大,最大位移形变值为0.33 mm。所获得的力学分析结果于文献相一致,验证了模型的有效性。结论:本研究所建立的膝关节及半月板有限元模型具有有效性,可为半月板撕裂及半月板切除术等有限元分析研究提供有效的模型。所获得的有限元分析结果能够阐释半月板的部分生物力学机制,为临床半月板损伤和治疗提供理论指导。     

膝关节有限元解剖模型的构建及其力学分析

目的通过多模态CT和MRI影像数据融合构建膝关节有限元解剖模型,并进行有限元分析和验证,为膝关节力学仿真研究提供可靠的有限元模型。方法采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板、关节软骨、韧带等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Hypermesh软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。结果基于CT和MRI影像数据构建出包含骨骼、半月板、关节软骨、韧带等多种组织结构的膝关节有限元整体模型,模型保持了膝关节的解剖学特征,有限元分析结果与文献报道的结果一致,显示有限元模型可靠、有效。结论通过多模态CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节有限元整体模型,能为研究膝关节生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

磁共振影像膝关节三维有限元模型的建立

目的探讨在膝关节磁共振影像的基础上建立膝关节三维有限元模型的可行性,观察对半月板建模的效果。方法根据MR扫描图像,利用图像处理和转换技术,运用ANSYS有限元程序,建立包括半月板的膝关节三维和多平面有限元模型。结果建成后的模型具有良好的形态,半月板具有较真实的形态位置。结论基于磁共振扫描建立的膝关节三维有限元模型能逼真地反应膝关节的真实几何结构,尤其对半月板能进行真实模拟。     

内外侧半月板后根部损伤有限元力学研究

[目的]探讨内外侧半月板后根部损伤对膝关节生物力学的影响。[方法]膝关节正常志愿者4例作为研究对象,采用MRI对左膝关节进行扫描,建立膝关节各部位有限元模型,在股骨部分垂直加1 150 N垂直力模拟人体正常周期中的伸直状态,测量应力分布。在完整膝关节有限元模型中同时删除内、外侧半月板根部相应单元和节点,模拟内外测半月板根部同时损伤模型;将完整膝关节模型设为对照组;分别加载1 000 N轴向压缩载荷和134 N向前剪切力,测量不同部位的最大压应力和最大剪切应力。[结果]人体正常走平路膝伸直状态时,承受应力的大小依次为:外侧半月板前部>内侧胫骨平台>股骨外侧髁>内侧半月板后部>股骨内侧髁>外侧胫骨平台>双股骨髁后部。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大压应力显著高于完整组(P<0.05)。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大剪切力显著高于完整组(P<0.05)。[结论]内、外侧半月板后根部同时损伤导致膝关节各部位承载应力显著增加。     

膝关节盘状半月板有限元模型的构建及生物力学分析

[目的]通过CT和MRI数据融合构建膝关节盘状半月板有限元模型,并进行有限元分析和验证,为盘状半月板研究提供可靠的有限元模型。[方法]采集包含盘状半月板膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Ansys软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。[结果]在600 N轴向压力下,股骨与胫骨软骨面发生接触,半月板传导轴向载荷。外侧盘状半月板上表面挤压应力峰值为2.21 MPa,出现在体部的中央;内侧半月板上表面挤压应力分布于前角、体部、后角的游离缘,峰值为6.61 MPa,出现后角游离缘。股骨软骨的挤压应力峰值出现在外侧髁,为0.67 MPa;股骨内侧髁挤压应力峰值为0.52 MPa。胫骨软骨的挤压应力峰值出现在内侧平台,为1.39 MPa,胫骨外侧平台挤压应力峰值为0.62MPa。[结论]通过CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节盘状半月板有限元整体模型,能为研究盘状半月板生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

半月板无血运区损伤治疗进展

半月板是维持膝关节内环境的基本结构,半月板损伤后膝关节力学稳定性发生重大变化,常导致早期骨关节炎.半月板再生潜力很小,尤其是半月板无血运区损伤,以往认为不能自然愈合.如何促进半月板无血运区损伤的愈合,一直是骨科医生面临的最具有挑战性的难题之一.该文就半月板无血运区损伤后的愈合特点、传统治疗和目前治疗现状作一综述.     

基于CT影像动态膝关节有限元模型的构建及仿真力学分析

目的:基于CT影像资料构建动态性膝关节有限元模型,并进行模型的有效性验证和初步的有限元分析,为膝关节的生物力学研究提供仿真模型和基础数据。方法:选取1名健康男性膝关节CT资料,借助Mimics 19.0和Hypermesh 12.0等软件,从膝关节的三维模型构建入手,经几何重建、逆向工程、网格划分、材料定性等步骤,建立高仿真的有限元模型。通过确定边界条件和扭矩加载产生动态性的屈膝模型,并进行模型的有效性验证。予有限元模型施加近似屈膝活动时所承受的载荷(500 N),研究分析不同屈膝角度下胫股关节和髌股关节的生物力学变化。结果:基于CT影像并结合解剖特性建立了膝关节有限元模型,模型包括骨、韧带、软骨、半月板和髌骨支持带等三维单元,在确立边界条件后施加不同扭矩产生了不同屈膝状态下的有限元模型。根据等同工况(屈膝30°,股四头肌腱受200N牵张)加载显示髌骨的应力峰值为2.209 MPa,平均Mises应力为1.132 MPa;股骨滑车的应力峰值为1.405 MPa,平均Mises应力0.936 MPa,与既往研究比较差异性在1%～13.5%,证明模型的有效性。动态性的模型加载发现:胫股关节的Mises应力随屈膝角度增加而下降;而髌股关节的Mises应力与屈膝角度正相关,不同屈膝角度下各软骨应力面的Mises应力对比,差异均有统计学意义(P0.05)。结论:研究建立的有限元模型结构更趋完整,可有效模拟动态性膝关节的生物力学特性,为膝关节进一步的仿真力学研究提供了支撑。     

半月板损伤修复技术研究进展

<正>半月板损伤是膝关节最常见的运动损伤。膝关节半月板的功能主要在于提高关节间匹配程度,增加接触面积从而减少载荷压力,其他功能主要包括加强关节稳定、提供本体感觉、关节润滑以及对关节软骨的营养作用。传统的半月板损伤治疗主要是半月板部分或全部切除,而越来越多的证据表明这样会明显加剧膝关节退变。无论退行性损伤还是急性运动损伤,现在多主张采用尽可能保留半月板的修复方式,预防膝关节发生过早退行性改变。     

胫骨平台骨折对半月板愈合影响的实验研究

[目的]胫骨平台骨折常可合并包括半月板在内的膝关节软组织损伤,而骨折的发生对半月板愈合会产生何种影响尚未见报道。本文通过建立胫骨平台骨折合并半月板损伤的动物模型,试图观察骨折引起的膝关节改变对半月板修复产生的影响。[方法]建立12只新西兰兔外侧胫骨平台骨折,以及半月板非全层撕裂伤和打孔缺损模型,设立无骨折对照,12周后通过大体与光镜观察两组半月板损伤模型修复的差异。[结果]在无血运区,无论有无合并平台骨折,半月板损伤均未见任何修复迹象;两组有血运区的半月板撕裂伤均已修复裂隙,与正常组织难以区分;而在半月板外1/3区的打孔缺损模型,仅胫骨平台骨折组可见部分蛋白凝块的填充。[结论]胫骨平台骨折同时合并半月板损伤时,未见骨折阻碍半月板愈合的证据,相反,骨折能促使缺损区域的组织填充,但是否有益于半月板愈合尚有待进一步研究。     

轻度OA膝关节有限元解剖模型的构建及其力学分析

[目的]构建轻度OA膝关节的有限元解剖模型,并用于研究在OA膝关节关节软骨和半月板上的应力分布特征。[方法]基于MRI和CT影像数据构建具有骨性结构和非骨性结构的轻度OA膝关节有限元解剖模型,定义材料属性并确定边界条件和轴向载荷,以胫股关节间软骨接触的Mises应力和接触压强为研究指标,分析关节内的应力分布特征。[结果]构建了轻度OA膝关节三维有限元解剖模型,有限元分析结果表明内侧胫骨近端关节软骨接触压强大于外侧室,外侧半月板接触压强峰值大于内侧室;股骨远端与胫骨近端关节软骨边缘处Mises应力峰值大于胫股关节间软骨接触部分,外侧半月板最大Mises应力位于半月板中部,而内侧半月板最大Mises应力位于半月板后部。[结论] OA膝关节内应力分布特征不同于正常膝关节,内侧半月板半脱位和关节软骨退变的特征促进了膝OA的进一步发展。     

颈椎损伤生物力学研究进展

在生物力学领域，颈椎损伤的研究近年较受关注。利用生物力学的知识可帮助我们判断损伤后颈椎的稳定性，认识其影响因素，并对损伤进行恰当的分类。本文还介绍了椎体刚度、损伤前的生物力学特征(曲度、质量、惯性特征等)对颈椎损伤的影响、损伤时椎管的变化，以及近年发展较快的颈椎损伤的有限元模型研究等。     

颈椎有限元分析模型的应用和进展

有限元分析法(FEA)是一种在工程学中广泛应用的方法,最初应用于模拟并且解决各种工程力学、热学、电磁学等物理问题.其基本原理是将一个由无数个质点组成并且由无限个自由度连续体近似为有限个单元所组成的集体.后来逐渐将有限元方法应用于骨科生物力学的研究,建立了最早的颈椎有限元模型.近年来随着计算机和软件技术突飞猛进,有限元法在颈椎生物力学研究中的利用日益广泛与深入.     

Role of the proximal tibiofibular joint on the biomechanics of the knee joint: A three-dimensional finite element analysis

PurposeThe proximal tibiofibular joint (PTFJ) is easily ignored, although many diseases of the knee are caused by PTFJ injuries. Therefore, studying PTFJ biomechanics is very important. The effects of PTFJ injury on ankle function have been reported. However, few studies have assessed the effects of PTFJ injury on the knee joint. This study was performed to describe the biomechanical effects of PTFJ on the knee joint according to a three-dimensional finite element model.MethodsThe knee joint of a healthy volunteer was scanned by CT and MRI. CT and MRI scanning data in DICOM format were imported into Mimics software. Subsequently, 3D models of the normal and PTFJ injured knee, including the bone, cartilage, meniscus and ligament structures were established, and their validity was verified on the basis of available studies in literature. The biomechanical changes in the two knee models under different conditions were compared.ResultsThe validity of the intact model was verified. No significant difference was observed in tibial mobility in the two models under the conditions of 134 N forward, 10 N·m internal rotation and 10 N·m valgus load. After application of 134 N backward, 10 N·m varus and external rotation load with respect to the tibia, the posterior movement of the tibia and the varus and external rotation angles of the tibia were 3.583±0.892 mm, 4.799±0.092° and 18.963±0.027° in the normal knee model, and 5.127±1.224 mm, 5.277±0.104° and 21.399±0.031° in the PTFJ injury model, respectively, and a significant statistical difference was observed.ConclusionsPTFJ played an important role in maintaining the posterolateral stability of the knee joint and thus deserves more attention in clinical operations.     

基于中国数字人CT数据重建膝关节有限元模型

目的建立精确的数字力学人膝关节模型。方法采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise公司授权的MIMICS8.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入有限元系统进行处理。结果建立起形态学高度拟真的膝关节模型。结论数字力学人模型可进行有限元计算,其精度能更好地满足数字化医学对计算机模拟论证的要求。     

脊柱侧凸有限元建模方法的应用进展

脊柱侧凸是一种由多种病因导致的三维复杂脊柱畸形,常合并胸廓畸形、肩失衡等并发症。由于其尸体标本难以获取以及动物模型制作困难,致使脊柱侧凸的生物力学研究受到限制。近年来,随着计算机技术、软件开发和图像处理的不断发展,应用有限元分析法建立人类脊柱有限元数字模型的技术日臻成熟,已为脊柱侧凸的病理机制、支具的设计及应用和手术方式的选择等研究提供了有力的支持,成为脊柱侧凸生物力学研究中不可缺少的工具。建立高质量的脊柱有限元数字模型是进行分析研究的基础,但有限元建模方法多样且过程复杂,因而如何根据研究目的选择合适的建模方法成为有限元研究者的首要任务。笔者在查阅近几年国内外相关文章后,对脊柱侧凸有限元建模过程包括脊柱侧凸数据的获取方式、几何模型的建立、各组织材料属性及参数设定、有限元模型的有效性验证等方面作一综述,以资参考。     

Pull-out suture in posterior root avulsion fracture of the medial meniscus: 2 cases

The menisci are key structures in the complex biomechanics of the knee joint, and are fundamentally important in shock absorption to attenuate axial loads on the articular surfaces of the opposing femur and tibia [1]. The menisci have secondary roles in knee joint stability, proprioception, joint lubrication, and stress distribution. During weight bearing, the menisci bear, distribute, and contain hoop stress by the circumferential orientation of the collagen fibers [2]. Loss of the bony attachments of the posterior horn of the medial meniscus can lead to extrusion of the meniscus [3]. With extrusion, the medial meniscus loses its ability to absorb hoop stress, resulting in a biomechanical equivalent somewhere between the intact knee and a complete meniscectomy [4]. The literature has suggested that meniscal ossicles could arise from multiple causes, including trauma, metaplastic ossification [5], or a sesamoid bone [6]. Irrespective of cause, there has been no agreement regarding treatment of these meniscal ossicles. We performed pull-out sutures for medial meniscus posterior horn root avulsions to restore the normal anatomy and biomechanical function of the meniscus and report results from 2 cases.     

The effect of complete radial lateral meniscus posterior root tear on the knee contact mechanics: a finite element analysis

Background

In recent years, with technological advances in arthroscopy and magnetic resonance imaging and improved biomechanical studies of the meniscus, there has been some progress in the diagnosis and treatment of injuries to the roots of the meniscus. However, the biomechanical effect of posterior lateral meniscus root tears on the knee has not yet become clear. The purpose of this study was to determine the effect of a complete radial posterior lateral meniscus root tear on the knee contact mechanics and the function of the posterior meniscofemoral ligament on the knee with tear in the posterior root of lateral meniscus.

Methods

A finite element model of the knee was developed to simulate different cases for intact knee, a complete radial posterior lateral meniscus root tear, a complete radial posterior lateral meniscus root tear with posterior meniscofemoral ligament deficiency, and total meniscectomy of the lateral meniscus. A compressive load of 1000 N was applied in all cases to calculate contact areas, contact pressure, and meniscal displacements.

Results

The complete radial posterior lateral meniscus root tear decreased the contact area and increased the contact pressure on the lateral compartment under compressive load. We also found a decreased contact area and increased contact pressure in the medial compartment, but it was not obvious compared to the lateral compartment. The lateral meniscus was radially displaced by compressive load after a complete radial posterior lateral meniscus root tear, and the displacement took place mainly in the body and posterior horn of lateral meniscus. There were further decrease in contact area and increases in contact pressure and raidial displacement of the lateral meniscus in the case of the complete posterior lateral meniscus root tear in combination with posterior meniscofemoral ligament deficiency.

Conclusions

Complete radial posterior lateral meniscus root tear is not functionally equivalent to total meniscectomy. The posterior root torn lateral meniscus continues to provide some load transmission and distribution functions across the joint. The posterior meniscofemoral ligament prevents excessive radial displacement of the posterior root torn lateral meniscus and assists the torn lateral meniscus in transmitting a certain amount of stress in the lateral compartment.