半月板切除对胫股关节接解压力的影响

取６具尸体膝关节标本以晶体管压力传感器和Ｂｏｕｒｄｏｎ电子管压力仪测定胫骨平台的接触压力，结果表明，半月板完整时，如膝关节处于伸直位，则峰压力可增高至４．２ＭＰａ，大致与载荷成正比。然而，除半月板游离缘的软骨外．覆有半月板的软骨其压力不到２．０ＭＰａ。如将半月板３０％切除或全切除，在２７００Ｎ载荷作用时，峰压力分别高达５．６和７．６ＭＰａ。     

同种异体半月板移植的研究进展

膝关节半月板具有重要的生物力学功能，它是维持膝关节正常生理功能的重要组成部分，它可以增加关节软骨面之间的接触面积，减小关节面单位面积上的压力，其楔形结构可增加膝关节的稳定性，缓冲纵向压力。半月板切除后必然导致韧带松驰，关节不稳，软骨面磨损加快，加速膝关节退行性改变，为了避免这些并发症的发生，     

基于ANSYS的人体膝关节半月板撕裂数值模拟

目的研究半月板在撕裂情况下膝关节应力、应变以及有效表面压力分布的情况。方法基于CT和MR扫描图像数据,使用软件Mimics和ANSYS,应用逆向工程原理建立膝关节的三维有限元模型(包括上、下膝盖骨和半月板),模型中处理忽略关节软骨和韧带。分析和对比健康完整膝关节、内侧半月板"V"字形撕裂膝关节和半月板纵向撕裂膝关节3种模型在承受轴向载荷时的力学响应情况。结果在轴向载荷作用下,健康膝关节半月板要传递大部分压应力载荷,且这些载荷主要集中在半月板中部的横向侧,最大的接触压力出现在半月板中间部分的后方。半月板撕裂时,应力最大的部位出现在撕裂部位周边,且由于撕裂部位的存在,半月板的接触应力分布有显著变化。结论半月板撕裂对膝关节各部件的应力分布和峰值有很大影响,医生可根据半月板的撕裂形状,通过确定半月板上应力集中的位置,有效、准确地确定半月板撕裂患者最需要重点修复治疗的地方。     

膝骨性关节炎内侧半月板径向移位研究进展

膝关节骨性关节炎(OA)是骨科常见病，其发生机制至今尚未完全明了，国内外学者进行了多方面的研究，有关其病理变化多集中于关节软骨退变、骨质增生、滑膜炎等，而关于半月板径向移位的病理变化还未引起临床上足够重视。由于膝关节半月板在传导负载，提高关节接触面积方面具有重要作用，而各种不同原因所致膝关节载荷传导紊乱，可引起关节软骨退变及临近部位的软骨增生，所以膝半月板功能缺陷是罹患膝关节骨性关节炎的高危因素之一。有关半月板损伤、切除导致膝骨性关节炎等方面的研究颇多，而关于半月板径向移位的研究资料尚少，其与膝骨性关节炎发病机制的关系尚不清楚。     

基于CT和MRI膝关节有限元模型建立与不同载荷下生物力学特性分析

基于CT和MRI图像数据建立膝关节有限元模型,采用六面体网格对不同载荷系统下人体膝关节生物力学特性进行研究,并进行有效性验证。建立膝关节有限元模型包括:股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带、髌韧带和股四头肌腱等。对膝关节施加1 kN轴向压缩载荷、134 N后向抽屉力和5、10、15 N[?m内翻力矩和外翻力矩,分析膝关节内软骨和半月板的接触应力和接触面积,股骨内外翻倾角以及位移变化情况。在1 kN压缩载荷和134 N抽屉力作用下,股骨软骨、内外侧半月板和内外侧胫骨软骨的接触应力峰值分别为4.47、3.25、2.83、2.70、2.53 MPa,Von Mises应力峰值分别为2.22、2.44、2.25、2.07、1.64 MPa。股骨相对胫骨前向位移为4.19 mm。施加5、10、15 N[?m内翻和外翻力矩时,股骨内翻和外翻倾角分别为3.49°、4.48°、4.91°和3.22°、3.62°、4.01°。随着力矩的线性增大,膝关节各组成部分的应力呈非线性变化趋势。膝关节软骨、半月板和韧带的研究结果符合其生物力学特性,与前人数值分析和实验研究结果相一致,可为临床膝关节生理病理分析和治疗提供一定的理论依据。     

膝关节的粘弹特性

对6例人体膝关节标本进行研究以了解其两种不同的粘弹特性:蠕变和应力松弛现象。 首先,施加恒定的瞬时载荷于有或无半月板的膝关节,整个测试过程膝关节保持完全伸直。结果发现,在压缩载荷作用下,蠕变逐渐增加,但无论有否半月板,两者之间无显著差异。测试5分钟的蠕变与通过Maxwell体VoiRt体模型推导出的值完全一致。 其次,在上述测试基础上,保持瞬时蠕变10分钟。虽然膝关节的蠕变保持恒定,但由于软骨的应力松弛现象,股骨髁与胫骨平台之间的力随时间推移而下降,力下降的程度取决于施加的载荷和持续时间。在2牛顿和100牛顿时,力的下降分别为46％和58％。这些值显著大于蠕变测试,结果的估计值。同时,在施加载荷后和实验结束时以压力传感器测定胫股间接触压力。接触压下降区与区之间各不相同,特别是无半月板的膝关节,结果表明,无论有无半月板,膝关节均有良好的蠕变顺应性,而且,应力松弛的局部差异很大。     

膝关节半月板损伤与骨髓基质干细胞

背景：骨髓基质干细胞移植是解决软骨组织缺损最有前景的手段之一,骨髓基质干细胞也成为软骨组织修复应用较广泛的重要种子细胞。 目的：分析骨髓基质干细胞在半月板损伤和软骨损伤方面的应用情况,为膝关节半月板损伤的修复和治疗提供理论参考。 方法：由第一、二作者共同检索1997/2011PubMed数据库及清华同方数据库,中文关键词为“骨髓间充质干细胞,膝关节半月板损伤”,英文关键词为“bone marrow stromal cells;knee joint meniscus injury”。纳入骨髓基质干细胞修复膝关节半月板损伤的相关文献26篇进行分析。 结果与结论：骨髓基质干细胞在治疗和修复膝关节半月板损伤方面具有独到的优势,包括其损伤面较小,方便易行,没有后遗症,并克服了切除半月板引起的形态和生物功能的改变,避免了因异体材料移植引起的膝载荷传导紊乱和晚期骨性关节炎发病的可能,与保留半月板修复其功能的临床治疗理念较为接近,并成为当前和今后治疗与修复膝关节半月板损伤的新思路。在其修复治疗的过程中,其关键问题在于一方面如何获得大量纯化的骨髓基质干细胞并在体外定向诱导为半月板软骨表型的细胞,另一方面是诱导分化的确切机制研究。关键词：骨髓基质干细胞;膝关节;半月板损伤;康复;诱导分化 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.14.029     

软骨细胞、胶原纤维及蛋白多糖在家兔不稳定膝关节软骨退变进程中的变化

背景:膝关节外伤可引起膝关节不稳定,其运动轨迹发生改变,继而可致关节软骨损伤,关节软骨中的主要成分软骨细胞、胶原纤维及蛋白多糖早期将发生变化。目的:比较研究两种家兔不稳定膝动物模型软骨退变进程中软骨细胞、胶原纤维、蛋白多糖变化,探讨早期不稳定膝关节软骨退变的发生机制。方法:取大耳白兔50只,随机分为3组前交叉韧带切除组、内侧副韧带+半月板切除组分别切除右后肢前交叉韧带、右后肢内侧副韧带和半月板,正常对照组不干预,分别在建模1,2,3,4和5周后分批于膝股骨内髁软骨取材,进行软骨组织大体和组织学观察、软骨损伤程度Markin评分;测定软骨组织蛋白多糖及软骨基质中胶原纤维含量。结果与结论:不同时期的不稳定膝关节软骨有程度不一的软骨细胞凋亡。除前交叉韧带切除组第1周外,各时间点两手术组Mankin评分均高于正常对照组(P0.05),以术后5周组最为显著。前交叉韧带切除组术后3,4周软骨细胞变性,蛋白多糖丢失,术后第5周软骨退变更加显著,内侧副韧带+半月板切除组变化较前交叉韧带切除组严重。前交叉韧带切除组3,4,5周及内侧副韧带+半月板切除组2,3,4,5周软骨胶原纤维明显低于正常对照组(P0.05)。结果表明,膝骨关节不稳定,早期关节软骨退变的程度与软骨细胞数目的减少、胶原纤维网的破坏和蛋白多糖的丢失有关,软骨退变过程中存在软骨修复。     

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。     

兔半月板切除后再生实验观察

对兔进行半月板切除后再生的实验观察,以对侧膝关节作自身对照。结果在半月板全切除组未见再生,而半月板部分切除及大部切除组均见半月板再生。再生部分的半月板形状在垂直切面上和正常者相似仍为三角形,但和残留部分分界清楚,并且组织结构不同,再生部分除少部分为纤维、纤维软骨外,大部分为透明软骨。在切除后4个月以上检查半月板再生部分的13只家兔中有6只有明显钙化,再生半月板和关节滑膜无延续现象。作者认为:半月板的部分或大部切除均可发生再生,再生来源于半月板本身的纤维组织。随着时间的延长,再生组织发生化生和钙化,在质上和原半月板有明显的不同。     

外侧半月板后根部损伤不同缝合位置对膝关节生物力学的影响

目的对损伤的外侧半月板后根部进行不同位置的修复固定,比较不同缝合方式时膝胫股关节的生物力学结果,探讨外侧半月板后根部损伤最佳缝合术式。方法使用8例人体尸体膝关节,胫腓骨固定装置维持膝关节在0°位,在1 k N压缩载荷下,采用Tek-scan压力感测片收集膝关节外侧半月板后根部完整、外侧半月板后根部断裂、将外侧半月板后根部分别缝合至中心点、中心点偏后5 mm、中心点偏前5 mm、中心点偏外5 mm位置下的平均接触压力、峰值压力以及接触面积。结果在外侧间室,与完整状态相比半月板后根部损伤断裂后会导致平均接触压力和峰值压力明显增加(P0. 01),接触面积减少(P0. 05)。4种缝合固定方法均可减少平均压力和峰值接触压力,接触面积较根部断裂时均有增加。在半月板后根部中心点偏外5 mm缝合时,生物力学结果更接近完整膝关节(P0. 05)。比较缝合位点在根部中心点和中心点偏后5 mm时,平均接触压力影响差别微小,峰值接触压力、接触面积均无统计学差异(P0. 05)。在内侧间室,生物力学指标各组间均无统计学差异(P0. 05)。结论外侧半月板后根部发生撕裂后会导致膝关节外侧间室的平均接触压力、峰值压力以及接触面积相比正常膝关节发生显著改变;半月板缝合位置在原根部中心点偏外5 mm时,其生物力学功能更接近完整膝关节。     

Effects of patellar resurfacing on contact area and contact stress in total knee arthroplasty

The objective of this study was to examine the effects of patellar resurfacing on patellofemoral joint contact pressure and contact area in total knee arthroplasty. We tested seven fresh-frozen cadaveric knees using a custom knee jig which permits the simulation of physiologic quadriceps loading. Before patellar resurfacing, the mean peak contact pressure of medial and lateral patellofemoral joints was less than 10 MPa at knee flexion angles of 30 degrees, 60 degrees and 90 degrees, that of medial and lateral patellofemoral joints were 11.63 MPa and 11.42 MPa at a knee flexion angle of 120 degrees respectively, and the mean contact area of patellofemoral joint ranged from 70 to 150 mm2. After patellar resurfacing, the mean peak contact pressure of medial and lateral patellofemoral joints ranged from 50 to 100 Mpa (P<0.05), which exceeds the yield strength of ultrahigh molecular weight polyethylene, and the mean contact area of patellofemoral joint reduced to 10-15 mm2 (P<0.05). The contact pressure of patellofemoral joint was lower than the yield strength of articular cartilage before patellar resurfacing. Our results indicate that the yield stress of UHMWPE is exceeded after patellar resurfacing.     

Biomechanical analysis of the effects of medial meniscectomy on degenerative osteoarthritis

To investigate the effects of meniscectomy on degenerative osteoarthritis, a three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the human lower limb is constructed from a combination of magnetic resonance (MR) images and computed tomographic (CT) images that can provide anatomically suitable boundary conditions for a knee joint. Four cases, i.e., the intact meniscus, and the partial, sub-total, and total meniscectomy of the medial meniscus are modeled and simulated. We consider that the cartilage-to-cartilage contact area and the peak contact pressure in the meniscus may be significant parameters in evaluating degenerative osteoarthritis. Partial meniscectomy can be regarded as a better treatment than sub-total/total meniscectomy, and a high possibility of degenerative osteoarthritis is anticipated after total meniscectomy. Moreover, medial meniscectomy has the potential to bring about degenerative osteoarthritis in both the medial compartment and the lateral compartment of a knee joint.     

步态周期下半月板损伤对膝关节生物力学性能的影响

文题释义：半月板撕裂：膝关节内半月型纤维软骨破裂,撕裂原因主要是由于膝半屈或全屈位下的扭转力所造成。半月板分为内侧半月板和外侧半月板,内侧半月板较大且固定,外侧半月板较小,实验主要研究外侧半月板撕裂对力学机制的影响。 动态有限元分析：将人体正常完整步态周期作为边界条件施加在膝关节半月板模型中,观察在完整步态周期下半月板以及胫骨软骨的应力变化趋势及所受应力值大小。 背景：目前国内外对膝关节半月板的生物力学分析十分广泛,但大多集中于对膝关节屈曲运动状态下的研究,针对完整步态周期下膝关节半月板生物力学的有限元分析还不完善。 目的：通过对比外侧半月板撕裂模型与健康半月板模型,了解完整步态周期下半月板损伤后的生物力学变化机制。 方法：以健康成年人膝关节CT扫描数据为基础,建立包括胫-股骨、半月板、关节软骨在内的健康膝关节有限元模型,并在健康模型基础上进一步构建膝关节外侧半月板撕裂模型,探究在完整步态周期下膝关节外侧半月板撕裂的生物力学机制,并与健康膝模型进行对比。 结果与结论：①两种模型完整步态周期内的胫骨软骨瞬时应力变化趋势一致,但半月板撕裂模型中胫骨软骨在每一个瞬时受到的应力值均大于健康半月板模型,半月板撕裂模型与健康模型中胫骨软骨所受最大应力值分别为30,20.5 MPa;②两种模型完整步态周期内的半月板瞬时应力变化趋势是一致的,但撕裂模型中完整步态周期内半月板受到的应力均大于健康模型,半月板撕裂模型与健康模型中半月板所受最大应力值分别为69.8,41.3 MPa;③在步态周期的前60%,半月板撕裂模型中的胫骨软骨最大应力分布远大于健康模型,且随着步态周期的增长,接触范围逐渐向软骨外部边缘蔓延;在步态周期的60%以后,作用在胫骨软骨上的应力较小,最大应力的分布范围也比较小;④两种模型中健康内侧半月板应力分布基本一致,而撕裂的外侧半月板最大应力分布范围较健康内侧半月板广,在裂纹周围出现了较严重应力集中现象,且随着步态周期的进行,应力集中区域逐渐向裂纹靠近半月板前角处偏移;⑤结果表明半月板是人体膝关节中重要的承重部件,从生物力学角度可以较为直观地观察到半月板损伤对人体膝关节的危害。 ORCID: 0000-0002-2155-0058(吴铮) 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     

胫骨结节抬高术对髌股关节生物力学的影响

为客观评价胫骨结节抬高术的生物力学有效性。采用富士压敏片法和染色法测试８具新鲜离休膝关节在行胫骨结节抬高术前后的髌股关节接触部位、面积和应力分布。发现胫骨结节抬高术后,髌骨的习惯性接触区位置向近端移行,这种现象有助于避开对软骨病灶区的挤压和应力集中,对缓解和消除髌股疼痛症状可能有利。因此,提出了“应力集中软骨损伤区导致髌股疼痛”的设想。胫骨结节抬高术后,小屈膝角度（３０°～６０°）有一定的髌股减压作用;但随屈膝角度增加,髌股接触面积减小并出现压力分布不均或局部高压现象。胫骨结节抬高术后,“腱股接触”现象提早（６０°）出现,对髌股关节生物力学行为可能造成影响。     

Influence of Meniscectomy and Meniscus Replacement on the Stress Distribution in Human Knee Joint

Studying the mechanics of the knee joint has direct implications in understanding the state of human health and disease and can aid in treatment of injuries. In this work, we developed an axisymmetric model of the human knee joint using finite element method, which consisted of separate parts representing tibia, meniscus and femoral, and tibial articular cartilages. The articular cartilages were modeled as three separate layers with different material characteristics: top superficial layer, middle layer, and calcified layer. The biphasic characteristic of both meniscus and cartilage layers were included in the computational model. The developed model was employed to investigate several aspects of mechanical response of the knee joint under external loading associated with the standing posture. Specifically, we studied the role of the material characteristic of the articular cartilage and meniscus on the distribution of the shear stresses in the healthy knee joint and the knee joint after meniscectomy. We further employed the proposed computational model to study the mechanics of the knee joint with an artificial meniscus. Our calculations suggested an optimal elastic modulus of about 110 MPa for the artificial meniscus which was modeled as a linear isotropic material. The suggested optimum stiffness of the artificial meniscus corresponds to the stiffness of the physiological meniscus in the circumferential direction.     

跳跃运动中不同护膝条件下膝关节半月板应力场的数值研究

目的 采用数值模拟方法,建立人体膝关节肌骨系统生物力学模型,并将人体动力学模型模拟跳跃运动时所获得的运动学和动力学信息作为模型驱动数据,进而分析不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场分布特征。方法 基于受试者CT与MRI断层扫描图像,构建包括骨、关节软骨、半月板、韧带和膝关节外围软组织的较真实人体膝关节模型,依据跳跃运动全周期分析选择蓄力起跳、落地冲击两个半月板损伤风险较大的位姿步态进行模拟,分析4种不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场特征,讨论半月板峰值应力及其应力集中区域的变化,探究半月板损伤以及佩戴护膝的防护功效和力学依据。 结果 膝关节内侧半月板前角是应力集中的易受损区域;在热力场耦合护膝条件下,内侧半月板应力集中区域由其狭长且薄弱的前角转移至其较为宽厚的中部,且峰值应力显著降低;内、外侧半月板的峰值应力接近,表明两者共同承担外载,且半月板应力集中区域面积减小。结论 热力场耦合护膝对于膝关节半月板的损伤具有良好防护作用。数值模拟研究结果可以为热力多功能护膝的设计提供理论支撑和技术指导。