有限元分析Ilizarov技术对肘膝关节屈伸挛缩畸形矫正器作用的机制

背景:目前国内外鲜见采用有限元法分析Ilizarov技术在骨科疾病肢体延长及对关节挛缩外固定器的作用机制。目的:利用三维有限元分析Ilizarov技术对肘膝关节屈伸挛缩畸形矫正器的作用机制。方法:利用Ilizarov生物学理论设计出的符合人体生物力学特性和可以广泛应用于临床的关节挛缩矫正器。通过三维有限元分析应用Ilizarov技术在肘膝关节屈伸挛缩畸形矫正器设计中的力学有效性和科学性。结果与结论:建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的肘膝关节三维有限元模型。通过三维有限元模型及力学分析计算出各组织包括骨与软组织的弹性模量和泊松比等力学指标,可通过施加关节挛缩矫正器的载荷分析其关节内、外的应力-应变分布及变化情况。Ilizarov技术可对肘膝关节挛缩畸形矫正器的设计与优化改良提供理论依据,利用有限元力学分析揭示了肘膝关节屈伸挛缩畸形病变组织结构的生物力学变化中的机制。     

深度烧伤后关节瘢痕挛缩的治疗

自1994～1997年对16例瘢痕增生关节挛缩畸形患者行早期治疗,效果良好。1 对象与方法本组16例22个关节;最大年龄52岁,最小年龄2岁。关节挛缩时间28d～4个月,其中肩关节3个,肘关节9个,腕关节4个,膝关节4个,踝关节2个。关节挛缩原因：未及时植皮5例。创面感染加深,关节挛缩愈合3例。体位不当导致膝、肘、腕关节屈曲畸形5例。不接受植皮手术,创面自然愈合3例。方法：手术充分松解瘢痕挛缩,术中被动活动关节,使关节能灵活屈伸,关节两侧作锯齿状切口,防止继发直线瘢痕挛缩;瘢痕增生明显致创缘隆起时,将创缘修成斜坡状,以利伤口缝…     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景:近年来,采用有限元分析法进行膝关节生物力学分析在国外发展迅速,但在国内,关于膝关节的三维有限元分析较少,且建模简单,相对精糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等存内的完整膝关节的精细三维有限元模型.目的:建立完整的膝关节三维有限元模型. 方法:获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用Mimics、3ds Max、ANSYS等软件建立膝关节三维有限元模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性.结果与结论:建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高.进行生物力学分析结果显示前交叉韧带承受前向载荷最大;轴向负荷中,内侧间室负荷较外侧间室大;胫腓骨前向移动4.9 mm.实验初步表明采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可行,特别适用于骨科领域j维有限元模型的建立.     

有限元数字化膝关节模型构建的研究与应用

背景：膝关节的解剖结构和力学特征决定它的生物力学特性,应用有限元分析方法对膝关节生物力学机制及损伤机制进行研究,可以有效地指导预防和治疗膝关节疾患。目的：评价有限元数字化膝关节模型构建的研究和应用价值。方法：以＂CT,MRI,膝关节,有限元,模型构建＂为关键词,采用计算机检索2005年1月至2011年11月维普数据库和万方数据库相关文章。纳入与膝关节模型构建及应用相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以9篇文献为重点讨论CT、MRI和有限元模型构建在膝关节中的研究和应用。结果与结论：CT、MRI所采集到的DICM图像在有限元模型构建中各具优缺点,有限元模型合理应用,能够为膝关节的手术提供更全面、更可靠的影像学资料,临床医师可根据模型进行手术方案设计,模拟手术流程,显著降低了手术风险,减少了患者的痛苦。     

骨科植入物的有限元分析（3）（本刊中文部）

8全膝关节假体三维有限元模型的建立 李晓淼（上海交通大学医学院附属仁济医院骨科,上海市200127） 推荐理由：人工膝关节置换是治疗膝关节骨关节炎的重要手段。三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法,利用该方法从生物力学角度分析全膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝关节置换有着重要意义。     

关节牵伸器及Ilizarov技术矫治小腿肌挛缩致膝踝关节畸形

背景:小腿严重伤害时,肌肉挛缩导致僵硬的膝关节屈曲畸形和马蹄足畸形,传统的治疗手段往往无法取得满意的疗效且容易导致严重的后果.目的:观察Ilizarov技术矫治小腿肌挛缩导致膝及足踝部畸形疗效.设计、时间及地点:回顾性病例分析,2002-05/2008-01北京市垂杨柳医院矫形外科.对象:应用Ilizarov技术牵伸治疗小腿肌肉挛缩导致的足、踝及膝关节畸形23例.男13例,女10例;年龄13～31岁,平均19.5岁;左下肢13例,右下肢10例.方法:术前测量畸形角度、大腿和小腿的最大直径以及足的大小.根据肢体的情况,挑选牵伸器组件,组装好有个体化特征的Ilizarov牵伸器人体框架.术中进行有限的软组织松解或仅根据畸形部位及情况安装牵伸器.术后缓慢牵伸(0.5～1.0 mm/d),逐渐矫正畸形并适当过牵,使畸形得到良好的矫正.主要观察指标:①畸形的角度及矫正情况.②关节的活动度变化.③并发症发牛情况.结果:23例中,13例残留畸形小于5°,关节活动度与对侧正常关节比较相差小于10°,没有并发症;8例残留畸形小于15°,关节活动度与治疗前比较没有差异,仅有轻微的并发症不影响治疗结果;5例残留畸形小于30°,关节活动度与治疗前比较差异不大,有影响较人的但是短暂的并发症,或并发症较轻但需要后续手术.牵伸过程中,1例发生股骨干的骨折,6例关节轻度脱位,经及时调整牵伸器后最终矫正效果满意.19例平均随访34个月.7例畸形有所复发,其中角度进展大于20°5例,角度进展大于30°2例,均应用支具继续治疗.结论:应用llizarov技术及原理,经皮穿刺针在膝关节上下或足踝部安装具有个体化特征的外固定牵伸器,通过缓慢的机械牵伸,可以使膝关节及踝足属曲畸形得到逐渐的矫正.     

弓齿形状记忆合金接骨器模型构建及三维有限元分析

目的：介绍弓齿形状记忆合金接骨器三维模型的构建并进行三维有限元计算及分析，探讨相关的记忆生物力学意义。方法：采用大型有限元分析软件ANSYS5．6，通过对接骨器结构拆分，分别将各部分建模后，生成体积从而建立三维模型。结果：所构建三维模型，逼真反映弓齿形状记忆合金接骨器的真实形态及生物力学行为，可以进行相应的力学运算。结论：弓齿形状记忆接骨器三维有限元模型的构建，可以为治疗复杂性骨盆髋臼骨折的力学行为以及相关力学基础研究提供精确模型。     

桡骨三维模型的建立及其生物力学意义

背景：桡骨骨折常遗留严重的并发症如骨不连等，采用新的生物力学分析手段为肱骨骨折、骨不连的功能预后提供新思路．目的：建立桡骨三维有限元模型，并探讨其相关的生物力学意义。设计：以三维有限元模型分析桡骨生物力学特征。单位：解放军第二军医大学附属长海医院骨科和同济大学生命科学与生物工程学院，材料：实验于2001-01／2003-05在解放军第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与生物工程学院实验室完成。选择典型的成年男性湿桡骨标本1根，行CT成像得到桡骨每层横截面图像。方法：采用大型有限元分析软件ANSYS56建立桡骨三维模型，建模步骤为①对齐切片②确定坐标原点③提取轮廓。采用三维十结点四面体实体单元进行网格划分及计算。主要观察指标：①构建的桡骨三维有限元模型的生物力学特性。②三维有限元分析及计算结果：所构建桡骨三维模型，共划分为76089个结点、49111个单元，客观反映桡骨真实解剖形态及生物力学行为，同时与CT切片图相对比以判断其精确性．结论：桡骨三维有限元模型的构建，可以为桡骨正常力学行为以及骨折后内固定的力学基础研究提供精确模型。     

Ilizarov技术行下肢延长术后的康复护理

本文探讨了Ilizarov技术行下肢延长术后的康复护理。根据手术的分期将训练分为3个阶段(分期):一期术后是消肿镇痛、预防针道感染及神经血管损伤;间隔期训练目的是功能锻炼与肢体延长、预防肌肉关节挛缩畸形及合理膳食;二期伊氏外固定架取出术后安全护理和继续功能锻炼。经过精心的治疗护理,本组基本达预期延长长度,无严重并发症发生,下肢各关节屈伸和行走功能满意。     

C_4～C_6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景：人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的：建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法：以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论：建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸〉侧弯〉轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

脊髓灰质炎后遗膝关节畸形的矫治

脊髓灰质炎后遗膝关节畸形很常见 ,约占同类手术的1/3。可大体分为屈曲挛缩型和反屈松弛型。畸形的矫治顺序是先矫正短肢 ,后调整力线 ,再平衡肌力。膝关节手术应符合其生物力学原理 ,目的是矫正畸形,调整力线 ,平衡肌力 ,稳定关节 ,恢复关节正常应力分布 ,最大限度恢复肢体功能和减少术后并发症。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

膝关节动态有限元模型的力学分析

背景：膝关节具有解剖结构复杂性,活动多样性的特点。目前人体膝关节的生物力学研究由于不能进行直接的人体实验而进展缓慢,在尸体上进行实验又不具备正常人体的生理环境,其实验结果并不准确。收稿目的：采用了工程学的有限元分析方法,在无创、活体的条件下,研究膝关节各部位的受力情况。方法：利用CT图像建立膝关节的三维动态有限元模型,在膝关节0°-90°范围内分析前后交叉韧带和髌股关节的受力。结果与结论：前交叉韧带在屈膝0°时张力最大,然后逐渐减小,在屈膝50°-90°之间无明显变化,而后交叉韧带恰恰相反,在屈膝0°-50°时变化不大,之后逐渐增大,屈膝90°时达到最大值。髌股关节受力分析发现,髌股关节的压力是随着角度逐渐增大的。提示膝关节动态三维有限元模型能够逼真模拟膝关节活动,研究正常人膝关节各部位的受力,是骨科生物力学分析的有效工具。     

外固定架与负压封闭引流及带蒂背阔肌皮瓣移植修复肱骨远端创伤性骨髓炎

背景：骨髓炎的治疗属世界性难题,如何提高骨髓炎的治愈率是目前研究的重点.目的：探讨外固定架联合负压封闭引流及带蒂背阔肌肌皮瓣移植对肱骨远端创伤性骨髓炎的修复效果.方法：纳入2006年5月至2013年9月收治的所有明确诊断为肱骨远端创伤性骨髓炎的患者36例,采用外固定架、负压封闭引流、带蒂背阔肌肌皮瓣移植等方法联合治疗,通过Mayo肘关节评分系统评价治疗前、治疗后肘关节功能,采取门诊就诊、电话追踪和家庭访视等方式随访.结果与结论：36例患者全部获得随访,随访时间8个月-6年8个月.带蒂背阔肌肌皮瓣全部存活,其中最大面积为40 cm＆#215;13 cm,最小为15 cm×6 cm.Orthofix外固定架治疗21例,组合式外固定架1 1例,Ilizarov环形外固定架4例,骨折愈合时间分别为6-14个月,10-16个月,8-20个月.外固定架取出时间平均8个月.治疗后肘关节功能优3例,良19例,中11例,差3例.其中2例感染复发;1例治疗后3个月窦道形成,行再次清创髂骨植骨后治愈;1例合并桡神经、正中神经损伤,肘关节处于屈肘100°、主动屈伸约20°,垂腕、垂指畸形、虎口挛缩,手指屈曲挛缩、僵硬,前臂桡背侧、屈侧麻木、感觉减退;4例一至两个针道有不同程度的渗出物,清创换药后治愈;1例创面出现小面积皮肤缺损,行游离植皮后愈合;其余病例创面均愈合良好,未出现医源性神经、血管损伤.提示外固定架联合负压封闭引流及背阔肌肌皮瓣移植是修复肱骨远端创伤性骨髓炎的有效手段.     

A videofluoroscopy method for optical distortion correction and measurement of knee-joint kinematics

Image distortion in video and image intensifier X-ray systems requires appropriate distortion correction methods to obtain accurate biomechanical quantitative measurements for joint kinematics applications. This paper presents an algorithm for coordinate reconstruction and distortion correction using a modified polynomial method. This algorithm was used for the measurement of patellar tendon moment arm, tibial plateau-tibial axis angle and patellar tendon-tibial axis angle during knee extension using videofluoroscopy in vivo. These parameters allow the determination of a two-dimensional biomechanical model of the knee for the measurement of muscle and joint forces during dynamic activities. Five males without knee joint injury history participated in the study. The mean measurement error obtained using an image intensifier-video system was 0.246 +/- 0.111 mm over a 180-mm x 180-mm field of view. The mean maximum patellar tendon moment arm was 39.87 mm at 44.9 degrees of knee flexion. The patellar tendon-tibial plateau angle was 112.9 degrees at full extension and decreased linearly to 87.6 degrees at 90 degrees of knee flexion. The mean angle between the tibial plateau and the tibial long axis was 84.8 degrees. Applications of the method include motion analysis using video and X-ray fluoroscopy systems with non-linear distortion problems. RELEVANCE: Accurate measurement of anatomical parameters from videofluoroscopy systems is important for the determination of joint biomechanical models and measurement of muscular and joint forces.     

构建Cam型髋关节撞击综合征有限元模型及力学分析

背景：Cam型髋关节撞击综合征可使关节承受力学过载并最终导致髋关节骨关节炎,然而其诱发骨关节炎的相关力学机制仍不清楚。 目的：运用三维有限元的方法,分析Cam型髋关节撞击综合征的关节内力学环境,进一步了解其病理力学特点。 方法：采用正常髋关节CT数据,利用Mimics和Hypermesh软件准确构建正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征三维有限元模型。在LS-DYNA 软件中,模拟坐下、起立时的力学加载条件,对正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节的软骨接触力学进行分析。 结果与结论：基于CT数据准确构建了包含关节软骨的正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节三维有限元力学分析模型。坐下、起立加载过程中,正常髋关节在最大屈髋位时峰值接触压力分别为4.43,4.59 MPa;而Cam型髋关节撞击综合征髋关节分别为14.96,14.86 MPa,髋臼缘前上方出现过高压力和应力集中。提示髋臼软骨过高的接触压力可能是Cam型髋关节撞击综合征导致骨关节炎的力学机制。     

Isometric, isotonic, and isokinetic torque variations in four muscle groups through a range of joint motion

The purpose of this investigation was to describe and examine variations in maximal torque produced by knee extension, knee flexion, elbow extension, and elbow flexion through a range of joint motion. Subjects were young, healthy men (n = 16) and women (n = 15). Torque was measured isometrically and isokinetically using a modified Cybex apparatus. Isotonic torque was calculated from a one-repetition maximum using a modified N-K device. Joint angles were monitored with an electrogoniometer. Torque-joint angle curves were constructed for both men and women for each muscle group. Isometric torque was highest, followed by isotonic and isokinetic torque. Torque declined with increasing isokinetic velocity. The angle of peak torque was found to be highly variable in individual subjects. Variations in torque curves were explained in terms of mechanical characteristics of the musculoskeletal system. Muscle group capability was generally found to be well matched to the mechanical requirements of the movement.     

Ilizarov牵拉架外固定治疗胫骨骨缺损的钢环参数选择

背景：既往尚无有效的方法彻底治疗胫骨骨缺损合并软组织缺损。Ilizarov技术的应用能在一定程度上解决短缩畸形、软组织损伤及关节挛缩等相关问题。 目的：探讨Ilizarov牵拉架外固定治疗胫骨骨缺损的效果及钢环的参数选择情况。 方法：回顾性分析2007年3月至2012年1月收治且获得完整随访的胫骨骨缺损67例患者的临床资料,所有患者均为既往有胫骨骨折并一期行手术治疗,治疗后有胫骨骨髓炎合并骨与软组织损伤,在患肢上安放Ilizarov环形架外固定。比较外固定后1,3,6个月及末次随访时胫骨缺损长度和软组织缺损面积,观察外固定前后踝关节Kofoed评分和膝关节ROM评分有无差异,末次随访时根据Johner-Wruhs胫骨干骨折诊疗评价标准评定功能恢复情况。 结果与结论：67例均得到随访,时间6-35个月。67例骨缺损得以重建,骨折愈合,但其中5例效果较差;44例软组织缺损病例中,40例创面闭合,4例创面未愈合。外固定后1,3,6个月及末次随访胫骨缺损长度和软组织缺损面积均较外固定前改善（P 〈 0.05）;外固定后踝关节Kofoed评分及膝关节ROM均较外固定前改善（P 〈 0.05）;末次随访时各种治疗方案疗效评价优良率为85%。对于合并皮肤缺损的胫骨骨髓炎性骨缺损,应用Ilizarov技术治疗胫骨骨缺损创伤小,能够避免多次复杂手术,缩短治疗时间和节省治疗费用,但也有一定的缺点和局限性。选用Ilizarov环形外固定架钢环的大小和材质对外固定效果和固定后调整均有一定影响。     

外伤后肘关节僵硬康复中优先恢复屈曲功能的意义

目的探讨外伤后肘关节僵硬康复中优先恢复屈曲功能的意义以及关节松动技术在肘关节康复中的应用原则。方法24例外伤或手术后肘关节屈伸功能障碍患者分成治疗组和对照组,每组12例。治疗组实施优先恢复屈曲功能的原则,将关节松动技术只用于屈曲功能的治疗,而伸直功能的恢复由医生指导下的自行训练结合治疗师轻柔的被动牵伸,以减轻关节松动技术伸直训练后引起的疼痛影响屈曲功能的尽快恢复。对照组常规应用关节松动技术每天各进行一次屈曲和伸直功能训练。治疗后6周测定关节屈曲度、伸直度和屈伸弧。结果治疗6周后,治疗组关节屈曲度为95°～135°（平均124°）,明显优于对照组的80°～110°（平均95°）（P＜0.01）;伸直度10°～35°（平均15°）,与对照组10°～30°（平均16°）无显著性差异（P＞0.05）;治疗组屈伸弧增加53°（从56°到109°）,对照组屈伸弧增加30°（从51°到81°）（P＜0.01）。结论对肘关节外伤后同时存在屈曲和伸直功能障碍的患者,应优先恢复屈曲功能。