腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析

背景：传统观点认为绝大多数的腓骨近端骨折是不需要固定的，他人和此次研究提示，近端腓骨结构对于膝关节后外侧结构的稳定性具有重要影响，其作用机制值得研究。目的：探讨腓骨近端骨折对于伸直状态膝关节各结构生物力学的影响。方法：运用有限元方法进行仿真生物力学试验。选用1名健康青年男性志愿者膝关节MRI和CT影像数据资料建立伸直状态下的膝关节有限元模型，并模拟4种近端腓骨形态：模型A为完整模型，模型B为腓骨头下以远1 cm骨折模型，模型C为腓骨近端最顶端向远端1 cm的尖端缺损骨折模型，模型D为腓骨近端最顶端向远端2 cm的骨缺损模型。在股骨干上施加纵向集中载荷1 500 N，对比分析膝关节伸直状态下，4种工况下膝关节各个结构最大等效应力、最大第一主应力的分布以及改变趋势。结果与结论：(1)模型A胫骨软骨、半月板外侧室最大等效应力大于内侧；胫骨平台、半月板内侧室最大第一主应力大于外侧；股骨软骨内侧髁最大等效应力大于外侧髁，股骨软骨内侧髁最大第一主应力大于内侧髁；(2)相较于模型A，模型C的软骨、半月板的最大等效应力和最大第一主应力大小以及分布情况无明显差异；(3)相较于模型A，模型B的最大等效应力...     

膝关节股骨远端软骨硬化前后力学性能分析

目的建立膝关节有限元模型,研究正常及软骨硬化情况下膝关节的应力、应变变化,为临床治疗膝关节骨性关节炎提供参考。方法通过Mimics、ANSYS等软件结合正常膝关节CT扫描图像数据,建立膝关节三维有限元模型,并施加350 N压力载荷,设定软骨硬化前后相关的材料参数,分析膝关节主要组织的应力、应变改变情况。结果膝关节股骨远端软骨硬化后,关节软骨的减震和传递负荷等作用基本消失;股骨应力、应变变化量最大,受力分布极不均匀,股骨前端应力、应变较内、外侧髁明显,整体受力也有明显增加;半月板的应力、应变值最大。结论长期的软骨破坏会影响关节软骨营养代谢,导致骨性关节炎疾病进一步恶化。研究结果可以较好阐释骨性关节炎发病过程和机理,同时为建立参数化研究系统提供相关数据。     

组织工程修复关节软骨缺损的力学状态研究

背景：力学状态对软骨的正常生理有重要影响,若应力集中过大将造成人工软骨退变和原宿主软骨退化,影响治疗效果。目前的各种力学手段很难实现活体软骨力学状态测量,而有限元动态分析能有效地模拟修补后软骨的受力情况。 目的：通过有限元仿真研究组织工程修复膝关节软骨缺损后人工软骨和宿主软骨的力学状态。 方法：以人体膝关节软骨受滚压部分为研究对象,建立滚动运动下关节软骨的有限元模型。根据行走过程中股骨与胫骨间的滚压边界条件,对软骨在取不同弹性模量、不同压缩量、不同载荷速度及不同缺损大小的情况进行了滚压受力分析。 结果与结论：在滚压载荷下,植入人工软骨弹性模量和软骨压缩量的不同都使人工软骨和宿主软骨受到的Mises应力值变化,二者对修复缺损处软骨Mises应力分布的影响比较明显,是临床治疗软骨缺损和术后康复阶段值得注意的因素。模拟中使用的载荷速度和缺损大小对软骨应力值的影响不明显。当人工软骨弹性模量取某个值时,人工软骨和宿主软骨的Mises应力差别可以达到很小值,二者趋于吻合。应力差别还和个体宿主软骨的力学性能有关,据此,应针对不同病例选择最佳弹性模量的人工软骨植入。     

基于MRI的成人正常膝关节软骨形态学测量

目的：了解正常膝关节软骨分布及股骨髁承重区的软骨厚度特点,为膝关节病变早期诊断和动态观察提供依据。方法：选取100名成人志愿者,男、女各50名,年龄20—30岁,平均25．3岁,膝关节均行MRI扫描。应用MIMICS软件对图像进行处理,在矢状位窗面上测量膝关节各部位软骨最大厚度。选择膝关节正常运动时的承重区,测量承重区域软骨的最大厚度并与其他区域进行比较。基于MRI图像行膝关节软骨三维重建,观察膝关节软骨的三维形态特征。结果：膝关节各部位的最大软骨厚度如下。胫骨外侧平台3．19mm,胫骨内侧平台3．07mm,股骨外侧髁2．93mm,股骨内侧髁3．19mm,股骨滑车软骨3．57mm,髌软骨3．75mm。不同性别与左右侧之间的软骨厚度差异无统计学意义（P〉0．05）。胫股关节承重区软骨厚度大于其他区域,有统计学差异（P〈0．05）。结论：成人正常膝关节各区域软骨厚度不同,胫股关节承重区软骨厚度大于非承重区域。基于MRI可以准确地测量膝关节各部软骨的厚度及重建膝关节软骨的三维形态。     

骑行时不同屈曲角度膝关节软骨受力分析

在对骑行人车系统动力学研究的基础上,分析在骑行周期内膝关节软骨的受力状态,以期获得关节软骨受力的规律,增加对骑行时膝关节生物力学特性的理解。基于有限元分析法,建立包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨、关节软骨、半月板及韧带组织的人体全膝关节有限元模型。将骨组织刚体化,并对其施加屈曲位移边界条件,包括胫骨相对股骨的内旋、内收、前移和外移以及髌骨相对股骨的屈曲、内旋、内倾以及外移。通过显式动力学分析计算,获得膝关节屈曲60°、80°和100°相位,同时得到骑行状态上述屈曲位处膝关节软骨的应力分布。结果 通过有限元分析,获得骑行姿态下膝关节相关相位的力学分布规律。结果表明,相同载荷下,最大von-Mises应力出现在屈曲100°位置,股骨软骨应力增幅达71.25%,髌骨软骨增大29.36%;随着骑行屈曲角度的增加,胫股关节高应力区逐渐向膝关节后部转移,髌股关节软骨受力逐渐上移。骑行时高应力发生在膝关节屈曲角度较大位置,胫骨平台软骨后侧、髌骨软骨上侧承受更大应力。     

牛膝关节软骨的力学承载特性及其有限元仿真分析

目的分析软骨的压缩变形行为和液相力学承载特性的关系。方法利用压痕实验测定牛膝关节软骨在不同压头直径、不同载荷下的压缩变形位移,建立有限元模型模拟关节软骨内部液相流动及承载特性。结果模拟压缩位移与实验结果最大相对误差为1.73%,在相同载荷作用下,随着压头直径的增大,软骨的弹性模量与渗透系数随之增大;在相同压头直径作用下,随着载荷的增大,软骨的弹性模量与渗透系数随之减小。载荷作用在软骨上,软骨内部液相主要在软骨内流动,随着载荷的持续,液相逐渐向软骨外流动。软骨表面的孔隙压力、轴向应力、径向应力由于液相的流动呈非线性变化。结论软骨表面的液相流动、孔隙压力及应力分布等影响软骨表面的承载特性;在不同压头、不同载荷下,软骨的承载特性有较大差异。     

膝关节三维有限元模型建立和验证及模拟后交叉韧带重建术

目的建立健康成年人膝关节三维有限元模型并进行验证,在此基础上建立模拟后交叉韧带单束重建术的股骨、胫骨隧道和移植物模型,为进一步分析奠定基础。方法以MRI作为数据源,运用医学制图软件Mimics,逆向工程软件Geomagic studio、Solidworks及有限元分析软件Abaqus,参考大量有关实验的文献报道,建立所需三维有限元模型。验证模型:模拟膝关节在屈曲0°情况下,对股骨施加后向134 N集中力,得出胫骨股骨相对位移及主要韧带受力分布与已报道文献进行比较;模拟膝关节屈曲0°情况下,加载垂直方向395 N集中力(单腿站立时下肢受力),得出软骨及半月板von Mises应力并与已报道文献进行比较。结果建立的膝关节三维有限元模型包括股骨下段、胫腓骨上段、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、髌韧带、内外侧半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带,几何形状良好。模型验证:股骨相对胫骨前后、远近及内外方向上位移分别为4.52 mm、0.35 mm和1.12 mm,此时韧带应力主要分布在前交叉韧带股骨附着处和体部且股骨附着处最大,与类似实验报道结果一致,且与临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移、在股骨附着处易发生断裂一致;半月板承担主要应力且内侧大于外侧,主要分布在内缘,最大应力值为1.65 MPa,其次胫骨软骨最大应力为1.05 MPa,股骨软骨应力最小,主要受力部位在内侧,为0.78 MPa;与已报道文献及尸体解剖力学实验结果一致,验证了该模型的有效性,在此基础上模拟建立后交叉韧带单束解剖重建股骨、胫骨隧道和移植物模型,基本可以满足有限元分析的需要。结论采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节解剖结构及后交叉韧带重建术中的股骨、胫骨隧道并满足生物力学的研究。     

轻度与重度骨关节炎膝关节的生物力学行为比较

目的 对比研究轻度与重度膝骨关节炎(knee osteoarthritis, KOA)膝关节的生物力学行为,阐述KOA进展的生物力学机制。方法 分别构建同一患者左侧轻度KOA(KL分级Ⅰ级)与右侧重度KOA(KL分级Ⅳ级)膝关节有限元模型。在材料属性、边界条件、载荷等设定相同的情况下进行有限元分析,比较轻度与重度KOA膝关节半月板、股骨软骨、胫骨软骨的接触面积、接触压及von Mises应力的变化特征。结果 重度KOA膝关节总接触面积和外侧室接触面积大于轻度KOA膝关节,而内侧间室接触面积小于轻度KOA膝关节。重度KOA膝关节半月板、股骨软骨和胫骨软骨上的接触压及von Mises应力峰值均大于轻度KOA膝关节;双膝关节外侧半月板上接触压及von Mises应力峰值均大于内侧半月板,双膝关节股骨软骨与胫骨软骨内侧间室接触压及von Mises应力峰值均大于外侧间室。结论 重度KOA膝关节应力分布不同于轻度KOA,接触面积、接触压和von Mises应力峰值的变化与半月板脱位、软骨缺损等因素相关,生物力学行为和解剖结构的改变促进了KOA进展。     

球囊撑开器对儿童膝关节生物力学影响的有限元分析

目的：基于儿童膝关节MRI图像建立正常膝关节三维实体模型和球囊完全撑开膝关节的三维有限元模型,采用有限元法分析两种球囊撑开器（分开设计/一体化设计）对膝关节的生物力学影响。方法：使用医学建模软件建立儿童膝关节有限元模型,模拟儿童膝关节镜手术过程。建立两种球囊撑开器模型,对球囊模型施加不同的压力,探究分开设计时3种不同形状球囊和一体化设计时不同短轴尺寸球囊与膝关节软骨相互作用的应力分布情况,获得撑开方式的最优设计。结果：当撑开器与膝关节镜分开设计时,球状球囊对软骨的峰值应力影响较小;当撑开器一体化设计时,短半轴3.0 mm逐渐增大尺寸,环状球囊的应力峰值变化较小且软骨上的应力峰值较小,环状球囊短半轴取3.0 mm是一种较优的尺寸。结论：球囊撑开器可以有效撑开一定的膝关节间隙,撑开器一体化设计相比分开设计在术中对膝关节影响较小。本研究为球囊撑开器中球囊几何结构的设计提供理论依据,提高了半月板手术治疗的安全性。     

滚压载荷下成年和幼年软骨的棘轮行为

文题释义： 非接触数字相关技术：非接触式测量方法以前主要有光学式和气动式两种,实验采用光学式图像采集系统。图像测量技术作为一种新兴的非接触测量方法有着独特的优越性,它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段,从图像中提取有用信息进而获得待测参数,研究通过图像采集点的坐标变化从而计算出受载前后软骨的应变。 棘轮效应：材料受到拉伸或压缩时,如果力大于材料的屈服强度,那么材料就会发生塑性变形。在非对称应力控制循环加载下,材料反向变形大小就会小于初始变形,进而产生了残余应变,如此反复而产生的沿应力方向上塑性变形累积的现象,这种现象即称为棘轮效应。 背景：国内外学者对关节软骨在不同力学环境及循环压缩载荷下的受力情况做了不少研究,但均集中在循环压缩载荷对软骨的作用,有关软骨年龄因素对软骨力学特性影响的研究和软骨在复杂受力环境下的特性研究不深入。                                                      目的：研究不同滚压载荷条件对成年和幼年关节软骨棘轮行为的影响。 方法：以成年猪股骨软骨和幼年猪股骨软骨为实验对象,在不同实验条件下(压缩量：10%,20%,30%;滚压速率：1.66,3.44,6.68 mm/s;缺损宽度：1,2,4 mm)采用滚压加载装置施加载荷,同时使用非接触数字相关技术对加载过程中的试样进行图像采集,通过分析处理图像,研究循环滚压载荷作用下成年及幼年关节软骨的棘轮行为。 结果与结论：①在滚压载荷下,随着滚压循环载荷的进行,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都呈现先快速增加后缓慢增加的趋势;②随着压缩量的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都增加;在相同压缩量下,幼年软骨的棘轮应变大于成年软骨,并且他们的棘轮应变沿着软骨深度从表层到深层逐渐降低;③随着滚压速率的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变减小;④1 mm微型缺损关节软骨的棘轮应变数值和趋势与完整无缺损软骨大致相同。在2,4 mm缺损状态下,缺损软骨的棘轮应变值均比同样条件下完整软骨的棘轮应变值要高。 ORCID: 0000-0003-3586-1073(李凯);0000-0002-7288-6686(高丽兰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

整形外科常用软骨生物力学研究进展

肋软骨、耳软骨及鼻中隔软骨广泛应用于整形外科领域,肋软骨主要进行全耳再造及鼻整形,而耳软骨及鼻中隔软骨则应用于鼻整形术中,其术后效果及形态的维持与软骨生物力学特征密切相关。软骨主要由软骨细胞及细胞外基质组成,与生物力学相关的结构为蛋白多糖、胶原纤维以及软骨膜,而决定软骨生物力学性能的则是软骨的微观结构,主要为细胞外基质。主要关注肋软骨、耳软骨及鼻中隔软骨相关的生物力学特性及其微观结构研究结果,总结不同软骨包括组织工程耳软骨生物力学测试的基本数据。目前关于软骨生物力学研究有待于对测试方法进行标准化,同时可进一步推广有限元的研究思路,进而更好地指导临床诊治。     

杓状软骨的定位研究及其意义

目的为杓状软骨相关手术的术中定位提供解剖数据。方法观测30例60侧正常成人喉标本杓状软骨声带突和肌突形态及其与甲状软骨板的位置关系。结果 (1)测量了顶底间距等10项杓状软骨形态指标,除了甲杓肌附着深度外,其余指标具有性别差异(P0.05)(;2)肌突距甲状软骨下角下端距离:男(13.05±1.92)mm,女(11.76±1.79)mm;距甲状软骨板后缘间距:男(8.11±1.17)mm,女(6.95±1.26)mm;距甲状软骨板内膜间距:男(3.71±1.31)mm,女(3.65±1.23)mm。(3)杓状软骨肌突投影点位于甲状软骨板斜线后下区域,该投影点距甲状软骨下缘距离:男(7.12±1.43)mm,女(5.92±1.26)mm;距后缘距离:男(7.27±1.52)mm,女(5.81±1.47)mm。结论杓状软骨相关手术可根据甲状软骨后缘、下缘、环甲关节下缘来定位肌突。肌突距甲状软骨板内面最近,若从甲状软骨板斜线后区开窗寻找肌突可以缩短手术进路距离。     

壳聚糖在软骨组织工程的应用

软骨组织工程的出现 ,为解决软骨修复这个临床难题提供了新的方案 ,然而目前软骨组织工程的热点在于寻找一种合适的生物载体材料。壳聚糖 (chitosan) ,一种人工合成的多聚糖材料 ,具有良好的生物相容性、可降解性和生物活性 ,可作为细胞三维生长支架 ,维持种子细胞新陈代谢和生长表型。本文将就壳聚糖的理化特性、生物活性和在软骨组织工程方面应用的状况及前景作一综述。     

关节镜下自体骨软骨移植修复软骨缺损的临床研究

目的取非负重区软骨替代负重区病变软骨,探讨软骨缺损的修复方式.方法对膝关节负重面软骨缺损的患者采用关节镜下非负重面自体骨软骨移植,根据缺损大小选择不同大小的骨软骨移植物,术后行CPM功能锻炼1周,6周后负重行走.结果术后随访3～24月,所有患者膝关节活动良好,疼痛症状基本消失,复查MRI示原软骨缺损区软骨表面光滑,移植物位置良好.结论关节镜下自体骨软骨移植效果良好,创伤小,避免同种异体移植产生的排斥反应及疾病的传播,是修复软骨缺损的好方式.     

关节镜下自体骨软骨移植修复软骨缺损的临床研究

目的取非负重区软骨替代负重区病变软骨，探讨软骨缺损的修复方式。方法对膝关节负重面软骨缺损的患者采用关节镜下非负重面自体骨软骨移植，根据缺损大小选择不同大小的骨软骨移植物，术后行CPM功能锻炼1周，6周后负重行走。结果术后随访3～24月，所有患者膝关节活动良好，疼痛症状基本消失，复查MRI示原软骨缺损区软骨表面光滑，移植物位置良好。结论关节镜下自体骨软骨移植效果良好，创伤小，避免同种异体移植产生的排斥反应及疾病的传播，是修复软骨缺损的好方式。     

Epiphyseal and physeal cartilage vascularization: A light microscopic and tritiated thymidine autoradiographic study of cartilage canals in newborn and young postnatal rabbit bone

The vascular pattern of newborn and early postnatal epiphyseal and physeal cartilage is integral to long bone development and differs from later postnatal patterns. In the present study, we supplement light microscopic histology with tritiated thymidine autoradiography to help assess the position of cartilage canals and the dynamics of cartilage vascularity in relation to growth. Tritiated thymidine labeling studies to assess cell proliferation activity were done by using 2 μc/g body weight intraperitoneal injections into newborn and 3-, 4-, and 7-day-old New Zealand white rabbits that were killed 1 hr after the injection. Proximal humeral, distal femoral, and third metatarsal epiphyses were assessed by routine histology and serial section autoradiography. Cartilage canals were seen in each epiphysis. Transphyseal vessels were seen in each epiphysis continuous from the epiphysis to the metaphysis or were present within the physis traversing the proliferating and hypertrophic cell zones. Histologic sections showed vessels from the perichondrium continuous with those of the epiphyseal cartilage canals at proximal humeral, distal femoral, and metatarsal epiphyses. Serial sections showed vascular buds and connective tissue cells lying in indentations at the periphery of and present within the epiphyseal cartilage. Autoradiographic studies showed extensive labeling of vessel wall cells and surrounding connective tissue cells of the cartilage canals (a) within the epiphyseal cartilage, (b) traversing the physis, and (c) within the epiphyseal cartilage but continuous with the perichondrial vessels. The labeling was always far more extensive than in the surrounding chondrocytes and was always present throughout the entire extent of the canals. In conclusion, the cell labeling activity strongly supports an active dynamic phenomenon underlying the vascularization of epiphyseal and physeal cartilage. Anat. Rec. 252:140–148, 1998. © 1998 Wiley-Liss, Inc.     

Origin-associated features of chondrocytes in mouse Meckel''s cartilage and costal cartilage: an in vitro study

Using a cell culture method, we histochemically and immunohistochemically investigated whether chondrocytes deriving from different origins, such as Meckel's or costal cartilages, express similar phenotypic characteristics. Chondrocytes isolated enzymatically from Meckel's and costal cartilages of 17-day embryonic mice both actively proliferated and formed cartilage nodules consisting of toluidine blue-positive proteoglycans and type II collagen. Both deposited calcified cartilaginous matrix as revealed by alkaline phosphatase (ALPase) activity and alizarin red staining throughout 3 weeks in culture. Immunostaining for osteopontin (OP), osteocalcin (OC), and osteonectin (ON) revealed that chondrocytes from both cartilages were positive for their proteins, but type I collagen was detected only in cells transforming from Meckel's chondrocytes late in the culture. Electron microscopy demonstrated that although costal and Meckel's chondrocytes had typical chondrocytic features during 2 weeks in culture, Meckel's chondrocytes transformed into osteocytic cells that produced thick, banded type I collagen fibrils. In contrast, costal chondrocytes maintained typical hypertrophic morphology throughout the final stage of culture. The present study suggests that Meckel's chondrocytes derived from neural crest-ectomesenchyme retain osteogenic potential, and differ from costal chondrocytes originating from mesoderm.     

Improved specificity of cartilage matrix evaluation using multiexponential transverse relaxation analysis applied to pathomimetically degraded cartilage

The noninvasive early detection of specific matrix alterations in degenerative cartilage disease would be of substantial use in basic science studies and clinically, but remains an elusive goal. Recently developed MRI methods exhibit some specificity, but require contrast agents or nonstandard pulse sequences and hardware. We present a multiexponential approach which does not require contrast agents or specialized hardware, and uses a standard multiple‐echo spin‐echo sequence. Experiments were performed on tissue models of degenerative cartilage using enzymes with distinct actions. MR results were validated using histologic, biochemical and infrared spectroscopic analyses. The sulfated glycosaminoglycan per dry weight (dw) in bovine nasal cartilage was 0.72 ± 0.06 mg/mg dw and was reduced through chondroitinase AC and collagenase digestion to 0.56 ± 0.12 and 0.58 ± 0.13 mg/mg dw, respectively. Multiexponential analysis of data obtained at 9.4 T permitted the identification of tissue compartments assigned to the proteoglycan component of the matrix and to bulk water. Enzymatic treatment resulted in a significant reduction in the ratio of proteoglycan‐bound to free water from 0.13 ± 0.02 in control cartilage to 0.03 ± 0.02 and 0.05 ± 0.06 under chondroitinase AC and collagenase treatment, respectively. As expected, monoexponential T₂ increased with both degradation protocols, but without further specificity to the nature of the degradation. An important eventual extension of this approach may be to map articular cartilage degeneration in the clinical setting. As an initial step towards this, localized multiexponential T₂ analysis was performed on control and trypsin treated excised bovine patella. The results obtained on this articular cartilage sample were readily interpretable in terms of proteoglycan‐associated and relatively free water compartments. In potential clinical applications, signal‐to‐noise ratio constraints will define the threshold for the detection of macromolecular compartment changes at a given spatial scale. The multiexponential approach has potential application to the early detection of cartilage degradation with the use of appropriate pulse parameters under high signal‐to‐noise ratio conditions. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Distribution of cartilage thickness on the head of the human first metatarsal bone

Articular hyaline cartilage takes on the contours of the subchondral bone on which it lies, but its thickness varies between joints, within a single joint and within a single articular surface. Previous studies have correlated articular cartilage thickness distribution with the degree of stress and weight bearing on joint surfaces, but few studies have considered the thickness of the calcified cartilage in relation to these parameters. Here we report a correlation between the cartilage thickness distribution and weight bearing distribution on the head of the 1st metatarsal bone, a component of one of the major weight bearing joints in the lower extremity during the gait cycle. The greatest total and uncalcified articular cartilage thickness was found on the central and lateral distal aspects of the metatarsal head, a region that receives maximal ground reactive force during the propulsive phase of the normal gait cycle. Although the thickness of the calcified cartilage was correlated with the thickness of the uncalcified cartilage, it varied to a lesser extent across the articular surface than did that of the uncalcified cartilage.     

喉的应用解剖与临床意义

目的：为功能性喉手术提供解剖形态学数据。方法：对50例结构完整的喉标本进行解剖观察和测量。结果：提供了喉重建术相关的甲状软骨、环状软骨、甲状舌骨膜、环甲韧带、弹性圆锥和方形膜等共75项按性别分组的测量数据。结论：为临床功能性喉手术以及喉功能重建提供了形态学参考数据。