前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

肩髋膝关节软骨生物力学特性

研究了正常国人急性外伤致死的成人新鲜尸体肩髋膝关节软骨的力学性质.以一维拉伸的方法得出了肩髋膝关节软骨的破坏载荷、伸长比、Lagrange应力、Cauchy应变等.用最小二乘法对拉伸实验数据进行拟合,得出了肩髋膝关节的应力-应变关系表达式和应力-应变曲线;对肩髋膝关节软骨进行一维拉伸应力松弛实验,得出了应力松弛以及归一化后应力松弛函数数据和曲线,应用最小二乘法得出了肩髋膝关节的G(t).并对实验结果进行分析讨论.     

骨性关节炎对膝关节软骨粘弹性影响实验研究

研究了正常国人新鲜尸体膝关节软骨和骨性关节炎膝关节软骨的粘弹性力学性质.对正常和病态膝关节软骨进行一维拉伸应力松弛、蠕变实验,得出了应力松弛、蠕变实验数据和曲线,以回归分析的方法处理应力松弛、蠕变实验数据,得出了归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数表达式.以冯元桢教授的准线性理论得出了正常组和病态组膝关节软骨松弛函数表达式,并对实验结果进行了分析讨论.     

运动学对线和机械力学对线指导全膝关节置换效果的Meta分析

文题释义： 运动力学对线：是行全膝关节置换时的一种下肢对线方法,尽可能还原膝关节患关节炎前的运动状态。 机械力学对线：该对线方法已指导全膝关节置换手术近30年,机械力学对线技术的目标是恢复髋-膝-踝0°角,从而使整个下肢恢复到中立位,近些年研究发现该方法指导的全膝关节置换术后1/5患者对置换效果不满意。 背景：机械力学对线技术虽然保证了膝关节假体的长期生存率,但是仍有部分全膝关节置换患者对置换效果及术后膝关节功能不满意。 目的：采用Meta分析的方法评价运动学对线技术和机械力学对线技术指导全膝关节置换的效果。 方法：检索运动学对线和机械力学对线指导全膝关节置换的临床对照研究文献,检索范围包括中国生物医学文献数据库、万方数据、中国知网、维普数据、PubMed、Cochrane图书馆及Embase,检索年限为建库日期至2019年7月。对检索到的文献进行筛选、质量评价及数据提取,并采用Review Manager 5.3软件进行统计分析。 结果与结论：①共纳入12篇文献,包括945例患者,其中运动学对线组470例,机械力学对线组475例;②荟萃分析结果显示,手术时间方面运动学对线组比机械力学对线组更短[MD=-15.44,95%CI(-27.16,-3.71)],西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数运动学对线组优于机械力学对线组[MD=-8.40,95%CI(-15.39,-1.40)],牛津大学膝关节评分运动学对线组优于机械力学对线组[MD=4.72,95%CI(0.24,9.21)],机械力学对线组术后的机械外侧股骨远端角及机械内侧胫骨近端角显著大于运动学对线组,以上研究P均< 0.05;③运动学对线组与机械力学对线组在平均住院日、出院前最远行走距离、膝关节协会评分、膝关节伸直角度、术后并发症方面差异无显著性意义(P均> 0.05);④提示运动学对线指导全膝关节置换后的膝关节功能优于机械力学对线,但影像学和围术期结果类似,且术后未增加并发症发生率。说明运动学对线可作为一种下肢力线对线方法来指导全膝关节置换。 ORCID: 0000-0002-3786-6305(赵春涛) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真

目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°(分别命名为模型1、2、3)。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大(2.6 kN)。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。     

骨细胞 Cx43 在膝关节响应力学过载中的作用

目的 探究骨细胞连接蛋白43（connexin43,Cx43）通道在力学过载对小鼠膝关节影响中的作用。方法 对15周龄骨细胞特异Cx43转基因小鼠（R76W：间隙连接功能抑制而半通道功能促进;Δ130-136：间隙连接和半通道都被抑制）及同窝野生型小鼠左膝关节施加单次应变（ε=1.764 62）,右膝关节作为对照。1周后分析小鼠步态,评价小鼠膝关节骨与软骨情况。抑制MLO-Y4骨细胞Cx43通道功能后进行循环拉伸应变,检测相关因子表达。收集条件培养基培养ATDC5软骨细胞,检测相关基因表达和成骨分化能力。结果步态分析显示,Cx43通道抑制没有明显影响小鼠步态。但转基因小鼠关节股骨端OARSI评分显著增加,骨小梁面积占比更小。抑制MLO-Y4细胞Cx43通道降低了ADAMTS5和II型胶原表达,增强其成骨分化的能力。结论 骨细胞Cx43通道能够响应力学过载,影响软骨细胞关键基因表达,并参与其成骨分化过程的调控,影响软骨对力学过载的响应。研究结果为骨关节炎的防治提供新思路。     

膝关节外伤术后应用CPM机的护理体会

目的 减少膝关节骨折手术后造成的关节功能障碍.方法 进行可靠内固定后,早期进行CPM机锻炼.结果 经过CPM机锻炼,92例患者膝关节功能恢复正常.结论 早期CPM机锻炼,是减少膝关节骨折术后关节功能障碍的有效方法.     

初次单侧全膝关节置换后患肢发生肿胀预测模型的建立与验证北大核心

背景:全膝关节置换后患肢常伴有肿胀,特别是膝关节周围的肿胀,更能够严重影响术后早期功能康复锻炼。因此,分析引起患肢肿胀的相关影响因素尤为重要,而列线图预测模型是基于回归分析得出的影响因素绘制的,由各种影响因素综合得出的总分可直观计算出全膝关节置换后患肢发生肿胀的概率。目的:基于LASSO回归分析得出的全膝关节置换患者术后发生患肢肿胀的影响因素,建立列线图预测模型。方法:回顾性分析2020-01-01/2021-06-30及2018-01-01/2019-05-31山西医科大学第三医院骨科关节病区进行全膝关节置换患者的临床资料,按照收集资料的前后时段分为建模人群(168例)及外部验证人群(122例)。首先基于建模队列进行LASSO回归分析,筛选出全膝关节置换患者术后发生肿胀的独立影响因素;通过筛选出来的影响因素进行Logistics单因素和多因素回归,再通过这几个影响因素制作全膝关节置换患者术后发生肿胀的列线图预测模型,采用受试者工作特征曲线及其曲线下面积、C指数验证、校准曲线初步评价模型区分度及校准度。由验证集进行模型验证,采用C指数及校准曲线进一步评价列线图模型表现。最后使用决策曲线分析法,观察该模型是否可以在临床上被较好地使用。结果与结论:(1)LASSO回归分析得出建模人群在膝关节炎的持续病程、体质量指数、术中失血量等因素上存在较明显的意义;(2)根据影响因素及现有理论,构建全膝关节置换患者术后患肢发生肿胀的列线图预测模型,训练组的受试者工作特征曲线和其曲线下面积(曲线下面积=0.68),也同时分析了外部验证人群受试者工作特征曲线和其曲线下面积(曲线下面积=0.67),最终表明,该模型对列线图的预测能力很有效;(3)建模队列中的C指数为0.663(95%CI:0.487-0.839),验证组的C指数为0.655(95%CI:0.537-0.772),表明模型的预测准确性良好;校准曲线拟合较好;(4)决策曲线分析结果显示,模型在临床使用中会有较好的效果;(5)说明建立的全膝关节置换后患肢发生肿胀的预测模型具有较好地检验效能,有助于临床上筛查全膝关节置换后患肢发生肿胀的可能性,并及时给予不同患者个性化的干预措施。     

髌骨骨折手术后的护理分析

目的 分析临床上如何做好髌骨骨折术后功能锻炼及膝关节功能恢复的护理工作.方法 就我院近年来收治的172例髌骨骨折患者,114例行切开复位内固定,20例行髌骨部分切除,38例采用单纯石膏固定.所有患者均于术后在医护人员的指导及帮助下进行功能锻炼.结果 在6个月~1年时间内对116例患者进行随访,3个月内膝关节功能完全恢复24例,恢复部分膝关节功能10例,6个月~1年完全恢复12例,1年后未完全恢复12例,采用髌骨切除的单纯石膏固定,40例于6个月内关节功能完全恢复.结论 对髌骨骨折患者采取合理有效、悉心指导患者进行科学合理高效的功能锻炼,可使膝关节尽早恢复.     

膝关节表面置换术治疗重度膝关节骨关节病近期疗效及影响因素分析

目的：探讨人工膝关节表面置换术治疗重度膝关节骨关节病的近期临床疗效及相关影响因素。方法：自2011年1月至2011年11月,采用人工膝关节表面置换术治疗膝关节重度骨关节病18例24膝,其中类风湿关节炎5例、晚期膝关节退变性骨关节炎12例和创伤性骨关节炎1例;18例中,PS型固定平台假体14例,CR型旋转平台假体4例。术后早期行功能锻炼。应用HSS膝关节评分系统进行疗效分析。结果：本组18例24膝术后膝关节疼痛基本消失,关节功能明显改善。术后均获随访6—16个月。术后4个月膝关节HSS评分平均91．9分,其中优14膝、良8膝、可2膝,优良率91．7％。结论：膝关节表面置换是重度膝关节骨关节病患者解除病痛、改善关节功能的有效治疗手段;术中关节周围挛缩软组织能否得到充分松解、胫骨截骨是否恰当,术后功能锻炼是否规范等,均是影响手术疗效的重要因素。     

跳伞着陆过程中膝关节损伤的有限元研究

目的利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据,对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟,并分析膝关节损伤的机理。方法对16名健康志愿者进行半蹲式模拟跳伞实验,跳落高度分别为0.32m,0.52m和0.72m。基于核磁共振成像建立人体膝关节的三维有限元模型,采用实验测得的膝关节运动学和地面反力数据对跳伞着陆过程进行数值模拟。结果关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加,外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷,前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中。结论跳伞着陆的高速冲击是造成关节损伤的直接原因,外侧关节软骨和半月板更易受到损伤,前交叉韧带和内侧副韧带较易在屈膝幅度最大时发生撕裂。     

一种动态膝关节软组织平衡测量仪的研制

目的针对临床上膝关节置换手术中软组织平衡测量的需要,研究并开发了一种新的软组织平衡测量系统用于帮助医生在膝关节置换手术中软组织平衡的测量和调节。方法软组织平衡测量系统由测量装置前端、信号采集控制盒和便携式电脑组成。在置入膝关节腔中的前端测量装置上装有6个精密的微型压力传感器,分布在装置面板的左右、前中后6个位置,用于测量软组织张力大小。同时前端测量装置的上下平行面板的间距可通过机械传动装置完成增大和缩小的调节。结果本测量系统能够较好地完成膝关节之间软组织的张力大小测量、膝关节间距调节和张力大小的三维动态显示。结论结合软组织张力大小和膝关节间距数据,能对膝关节的动力学研究有更大的帮助。     

应用静态进展性牵伸方法治疗膝关节挛缩

目的报道应用等速测力仪静态进展性牵伸治疗膝关节挛缩的方法及疗效。方法选取因骨折术后造成膝关节挛缩的患者16例,其中股骨干骨折2例,股骨远端骨折5例,髌骨骨折4例,胫骨平台骨折5例。术后平均病程13.7周。在等速测力计上实施静态进展性牵伸。每次关节活动在一个方向上牵伸,每次分5组牵伸,每组治疗时间5 min,组间休息1 min,下一组关节角度渐增。患者每日接受SPS治疗2次,每次治疗时间30 min,每周5 d,治疗疗程2月。分别在治疗前、治疗后、治疗后6月使用角度计测量伸膝角度E、屈膝角度F和关节活动度R。结果治疗后以及治疗后6个月,膝关节E、F、R 3个指标较治疗前均有明显改善(P<0.05)。结论应用等速测力仪静态进展性牵伸可以治疗膝关节挛缩。     

具备内外旋自由度的双侧减压辅具对膝关节生物力学的影响

目的针对传统膝关节辅具对人体下肢运动自由度限制的问题,为辅具提供一种顺应膝关节内外旋自由度的设计方案。方法通过在辅具中增加双自由度铰链的设计释放内外旋自由度,设置佩戴具备和不具备双自由度铰链的双侧减压辅具实验组、未佩戴辅具对照组进行步态及力学实验测试。结果步态过程中,相比不具备双自由度铰链的辅具,具备双自由度铰链的辅具对膝关节内外旋运动的限制较小,且辅具可以为人体膝关节提供一定牵引力。结论顺应内外旋自由度的设计方案可以有效减少双侧减压辅具对膝关节运动的限制。     

Knee adduction moment is correlated with the increase in medial meniscus extrusion by dynamic ultrasound in knee osteoarthritis

BackgroundAn increase in medial meniscus extrusion (MME) due to abnormal biomechanical stress leads to knee osteoarthritis (OA) progression. MME evaluation during walking is a key method of detecting dynamic changes in the meniscus, and in combination with motion analysis, can provide a deeper understanding of the mechanisms involved in the increase of MME.ObjectiveTo validate the feasibility of MME dynamic evaluation in combination with a motion analysis system based on the correlation between the increase in MME and biomechanical factors.MethodsTwenty-three knees from 23 patients with mild to moderate knee OA were analysed in this study. The medial meniscus during walking was evaluated by ultrasound. The increase in MME was calculated as the difference between the minimum and maximum MME during walking. A three-dimensional motion analysis system was synchronised with the ultrasound and then, biomechanical factors such as knee moment and ground reaction force were evaluated.ResultsThe wave patterns of the mediolateral and vertical components of ground reaction forces and knee adduction moment were similar to those in the MME based on a high cross-correlation coefficient (>0.8). The increase in MME was significantly correlated with the peak value of the knee adduction moment (r = 0.54, P = 0.0073) but not with the mediolateral and vertical components of the ground reaction force.ConclusionThe findings show that knee adduction moment is correlated with an increase in MME during walking and indicates the validity and feasibility of the dynamic evaluation of MME in combination with a motion analysis system.     

Force of knee extensor and flexor muscles and cross-sectional area determined by nuclear magnetic resonance imaging

Summary The maximal strengths of knee extensor (E) and flexor (F) muscles were compared in a group of 6 male subjects aged 24–31 years.Cross-sectional area (CSA) of E and F was evaluated from planimetric measurements of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) imaging axial scans, carried out at five levels along the thigh. Maximal CSA for E was found at 2/3 upper femur height and at 1/3 lower femur height for F.Maximum isometric force (MIF) of E was found to be 135% greater than that of F. The maximum CSA of E was found to be 93% larger than CSA of F.The calculated mechanical advantage of the flexors was estimated to be 13.8% higher than that of the knee extensors (0.116±0.012 and 0.132±0.005, respectively). However, when MIF of E and F were standardised for their respective CSA, no significant difference was found between their stress: 80.1±15.5 N · cm^–2 for E and 70.5±7.0 N · cm^–2 for F.From the present study, it is concluded that no significant difference exists between the maximum stress of knee extensor and flexor muscles despite large differences in their absolute values of force and CSA and that the NMR imaging technique enables accurate in-vivo determination of the CSA of individual muscles.     

Unicompartmental knee prostheses: in vitro wear assessment of the menisci tibial insert after two different fixation methods

Knee osteoarthritis is a complex clinical scenario where many biological and mechanical factors influence the severity of articular degenerative changes. Minimally invasive knee prosthetic surgery, with only a compartment replacement (unicompartmental knee replacement), might be a good compromise between osteotomy and total knee prosthesis. The focus of this study was to develop and validate a protocol to assess the fixation method of the femoral components in mechanical simulation, for pre-clinical validation; the wear behaviour of two different fixation frames was quantified and compared. In particular, two different wear tests were conducted using the same knee simulator, the same load profiles and the same kinematics; two different fixation methods were applied to the femoral sleds (synthetic femur and metal block). Surface characterization on both articulating bearings was performed by a roughness measuring machine and coordinate measuring machine. The wear produced by the tibial inserts using the synthetic femur was considerably higher than the wear registered by the metal-block holder. Roughness measurements on femoral sleds showed a limited number of scratches with high R(t) values for the metal-block set-up; the damaged surface broadened in the case of femoral condyles and tibial inserts mounted on composite bone, but lower R(t) and linear penetration values were measured. The two holding frames showed different wear activities as a consequence of dissimilar dynamic performance. Further observations should be made in vivo to prove the actual importance of synthetic bone simulations and specific material behaviour.     

免疫旋转生物传感器高灵敏检测HIV-1P24抗原方法的研究

目的 通过构建免疫旋转生物传感器,建立一种高灵敏度的HIV-1 P24定量检测方法.方法 将生物素标记的HIV-1 P24单克隆抗体通过亲和素-生物素-β亚基抗体（Streptavidin-biotin-β antibody）的方式连接到光合作用复合体（Chromatophores）的β亚基上,同时用pH敏感的荧光索F1300标记到Chromatophores上,构建了用于检测P24的免疫旋转生物传感器,并用原核表达的P24抗原对该传感器进行了灵敏度、特异性实验.结果 构建的免疫旋转生物传感器可以将P24抗原结合ATPase造成的旋转速率变化转变为光强度的变化,可以高灵敏的检测HIV-1P24抗原,最低检出度可达0.1 fg/ml.结论 成功建立了基于免疫生物传感器（Immuno-rotary Biosensor,IRB）系统的HIV-1 P24检测方法,该方法操作简单,灵敏度高,为建立基于分子马达HIV-1 P24定量检测方法打下基础.