骨性关节炎对膝关节软骨力学性质影响的实验研究

目的 研究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生物力学性质,为临床提供生物力学参数。方法 取正常和病变的膝关节软骨在ShimadzuAUTOGRAPH电子万能试验机上进行一维拉伸实验。结果 得出了关节软骨最大载荷、伸长比、应力、应变等数据;用最小二乘法处理应力鄄应变数据,得出了其应力鄄应变关系表达式,拟合出了应力鄄应变曲线。结论 病变组各项力学性质指标均明显低于正常组。     

膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析

背景：膝关节骨性关节炎主要以软骨退变,骨质增生进而影响到关节周围软组织致关节疼痛,负重后加重以及后期致关节变形的慢性疾病。 目的：实验收集膝关节骨性关节炎患者及正常人的膝关节影像学参数,再先后导入各种软件建立模型,然后在模型上模拟膝关节下蹲动作,并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据,并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。 方法：收集膝关节骨性关节炎患者及正常人各30例,通过影像学CT,MRI检查获得数据,将得到的数据通过Mimics软件、Simpleware软件分析后建立模型,通过模型获得膝关节软骨应力相关数据,最后进行膝关节骨性关节炎患者与正常人数据的对比分析,分析总结得出膝关节骨性关节炎患者关节软骨的应力特点。 结果与结论：膝关节骨性关节炎患者从站立到下蹲过程中膝软骨表面应力一般呈现非线性递增趋势。膝关节骨性关节炎患者下蹲过程中膝软骨表面中间外侧应力应力高于正常人体组(P < 0.05),而其下蹲过程中膝软骨表面靠近远端应力及前后侧应力与正常人相比差异无显著性意义(P > 0.05)。结果证实,成功建立膝关节骨性关节炎肌骨模型和有限元模型,建立的模型更接近真实膝关节的运动特征,通过模型为膝关节骨性关节炎疾病提供膝部组织定量的生物力学数据。 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     

浅刺治疗膝骨性关节炎患者登梯运动中生物力学效应的有限元分析

目的 研究浅刺治疗膝骨性关节炎患者登梯运动中膝关节生物力学特性的改变.方法 基于CT和MRI图像数据,建立上下楼梯运动中膝关节屈膝50°和15°的三维有限元模型,分析浅刺前后和健康组膝关节半月板、股骨及胫骨软骨的应力分布.结果 结果显示浅刺治疗后股骨软骨、内外侧胫骨软骨和内外侧半月板的最大应力比治疗前分别有所减小,软骨...     

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。     

有限元建模分析牵开成形治疗踝关节骨性关节炎的生物力学响应

背景：目前踝关节骨性关节炎的手术方式包括关节置换和关节融合,但2种方式均存在一定问题,因此保踝治疗成为踝关节骨性关节炎初期治疗的首选方式。牵开成形是一种重要的保踝治疗术式,有利于缓解踝关节疼痛和改善功能,有助于关节软骨的自我修复,但现在仍缺乏确切的生物力学证据。目的：通过有限元建模探究踝关节牵开成形治疗早中期无明显力线改变的踝关节骨性关节炎的力学因素,为临床治疗提供力学证据。方法：将1名27岁志愿者足踝CT扫描数据DICOM文件导入有限元软件中,进行三维重建及曲面拟合,再进行网格划分,建立含有骨骼、韧带、肌腱和软骨的精细足踝有限元模型,对比踝骨关节炎组、外固定架组分别在中立0°、跖屈20°、背屈20°3种不同工况下的胫距关节面应力、距骨应力及距骨应变的生物力学响应。结果与结论：（1）经过有限元仿真计算发现,从踝关节整体受力来说,两组模型在中立位0°时最小,从中立位逐渐跖屈或背屈时,随着踝关节活动发生变化,应力值也逐渐增加,且在同等屈曲的条件下,背屈要比跖屈的整体应力增幅明显;（2）从胫距关节的应力峰值来说,踝骨关节炎组的胫距关节面应力峰值较正常组增幅明显,外固定架组的胫距关节面应力峰值...     

膝关节神经支选择性切断对膝骨性关节炎模型兔关节软骨病理变化的影响

目的:观察选择性切断膝关节神经支对膝骨性关节炎模型兔关节软骨病变的影响。方法:采用改良Hulth法复制兔膝骨性关节炎模型,通过外科显微镜下选择性切断兔膝关节神经支。利用"测定双足平衡设备"检测和评价兔膝关节功能变化,肉眼观察兔膝关节大体结构。组织切片H-E染色,光镜下观察关节软骨组织结构,应用显微电脑测量软件测量关节软骨厚度。运用TUNEL法检测软骨细胞的凋亡。结果:模型组右侧(患侧)膝关节蜷缩、无力,检测显示以左侧后足承重为主。治疗组右侧(患侧)后足承重分布情况较模型组有明显改善。模型组兔膝关节软骨出现退变的表现,软骨细胞过度凋亡,其凋亡指数明显高于正常组,而治疗组兔膝关节软骨退变有明显改善,细胞凋亡指数明显低于模型组。模型组和治疗组膝关节软骨厚度均较正常组有明显减小,但治疗组软骨厚度较模型组有明显增厚。结论;选择性切断膝关节神经支对膝骨性关节炎模型兔关节软骨细胞凋亡有抑制作用,并能改善病变关节软骨的结构,加强关节的功能。     

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。     

股骨内侧髁软骨不同缺损面积影响周围软骨应力的三维有限元分析

文题释义： Von Mises应力：是一种等效应力,用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况,可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化,来确定模型中的最危险区域。在一定的变形条件下,当材料的单位体积形状改变的弹性位能(又称弹性形变能)达到某一常数时,材料就屈服。 箱式图：是指—种描述数据分布的统计图,是表述最小值、第一四分位数、中位数、第三四分位数与最大值的一种图形方法,可以粗略地看出数据是否具有对称性,分布的分散程度等信息。 背景：研究发现三维有限元分析可用于膝关节生物学研究,但关于股骨内侧髁不同缺损后周围软骨应力变化的研究不多。 目的：探讨膝关节股骨内侧髁软骨发生不同缺损前后周围关节软骨应力的变化趋势,为膝关节股骨内侧髁软骨缺损患者提供生物力学数据。 方法：选取正常成人1例建立三维数字有限元模型,在Abaques软件中将己划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载载荷,进行有限元结构非线性计算,首先观察正常膝关节软骨半月板在载荷条件下的应力空间分布,然后观察股骨内侧髁软骨发生不同缺损(0,6,8,10,12,14,16,18,20 mm)后周边软骨在载荷条件下的应力空间分布,分析股骨内侧髁软骨缺损时发生在软骨上的应力改变情况。研究方案获得昆明医科大学第一附属医院伦理委员会批准,试验志愿者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①成功定义了模型的材料属性、边界条件及载荷的引入,并得出了膝关节内侧髁软骨发生不同直径缺损时关节软骨的应力云图及其应力数据,经统计分析得到,当股骨内侧髁软骨出现10 mm(面积0.78 cm²)和12 mm(面积1.13 cm²)缺损分别为股骨髁和胫骨平台软骨上的应力较无缺损时有显著性变化;②应用三维有限元法计算得出了在膝关节内侧髁的软骨发生不同直径缺损的情况下膝关节软骨的应力变化趋势;③结果表明股骨内髁直径10 mm(面积0.78 cm²)缺损可能是进行软骨修复手术干预的最小直径。 ORCID: 0000-0003-4694-9716(张叶明) 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     

膝关节神经支选择性切断对膝骨性关节炎模型兔关节软骨Ⅱ型胶原的影响

目的观察选择性切断膝关节神经支对膝骨性关节炎模型兔关节软骨Ⅱ型胶原影响。方法采用改良Hulth法复制兔膝骨性关节炎模型,通过外科显微镜下选择性切断兔膝关节神经支。兔膝关节软骨组织切片HE染色,光镜下观察关节软骨组织结构;免疫组织化学检测软骨Ⅱ型胶原表达。结果模型组和治疗组关节软骨Ⅱ型胶原表达,在术后4周高于正常组;术后16周,明显低于正常组。治疗组术后16周软骨Ⅱ型胶原表达明显高于模型组。结论选择性切断膝关节神经支能增加膝骨性关节炎模型兔关节软骨Ⅱ型胶原的表达。     

活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析

目的为活动平台膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法并分析其受力变化。方法获取1例成年男性正常膝关节的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建膝关节三维模型,通过参数化软件Rhinoceros5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Abaqus6.10建立活动平台膝关节单髁置换三维有限元模型,并进行有限元分析皮质骨、松质骨的应力。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高,假体置换前后胫骨侧皮质骨应力变化基本一致,置换后胫骨侧松质骨受力主要在假体槽部。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了有效模型和新的研究思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

选择性切断膝关节神经支对膝骨性关节炎模型兔关节软骨超微结构的影响

目的观察选择性切断膝关节神经支对兔膝骨性关节炎模型关节软骨超微结构的影响。方法采用Huhh法复制兔膝骨性关节炎模型，通过外科显微镜下选择性切断兔膝关节神经支，对关节软骨等结构进行形态学观察，运用TUNEL法检测软骨细胞的凋亡，并应用透射电镜观察关节软骨超微结构的变化。结果模型组兔膝关节软骨出现退变的表现，软骨细胞过度凋亡，其凋亡指数（31．25±6．83）明显高于正常组（3．16±0．65；P〈0．05）。模型组关节软骨超微结构明显受损，软骨细胞出现核固缩，线粒体肿胀，粗面内质网扩张、脱颗粒；软骨基质内胶原纤维断裂溶解，结构模糊。治疗组兔膝关节软骨退变有明显改善，细胞凋亡指数（15．43±3．72）明显低于模型组（P〈0．05），关节软骨超微结构较模型组有明显改善。结论选择性切断膝关节神经支对膝骨性关节炎模型兔关节软骨细胞凋亡有抑制作用，并能改善关节软骨的超微结构。     

电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯的三维有限元分析

针对电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯运动生物力学特性改变进行有限元仿真研究,对比分析膝关节生物力学行为改变与电针治疗疗效的相关性.基于CT和MRI图像数据,结合Mimics和Geomagic医学图像处理软件,建立人体膝关节下楼梯屈曲15°和上楼梯屈曲50°时的三维有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内外侧半月板、股骨...     

Joint contact mechanics in the early stages of osteoarthritis

Joint degeneration in the early stages of osteoarthritis (OA) may be reflected in changes in structural and material properties in articular cartilage. The aim of the present study was to simulate numerically the contact area and stress distribution in normal and "diseased" cartilage layers for dynamic loading. The initial stages of osteoarthritis were simulated based on an experimental model: the anterior cruciate ligament-transected cat knee. In this model, cartilage layers become thicker, softer, and more permeable than the corresponding healthy cartilage layers within weeks of intervention. In our numerical simulations, the diseased cartilage was modelled by changing the thickness, permeability, shear modulus, and Poisson's ratio of the cartilage in accordance with observations in this experimental model of osteoarthritis. The theoretical model of normal and diseased articular cartilage was based on a biphasic representation of cartilage, and the joint was assumed to be axi-symmetric. It was found that, for a given loading condition, the contact areas increase and peak stresses decrease in the diseased compared to the normal joint. According to our simulations, areas of normal joint contact become unloaded and areas of little or no contact become overloaded in the early stages of osteoarthritis compared to the situation in normal joints. Based on these results, we speculate that OA may be initiated following ACL transection because of an overloading of specific regions of the joint, either because of the altered contact mechanics or the disrupted joint stability, despite a general decrease in the contact pressure.     

利用有限元分析技术探讨后踝骨折的治疗方案

目的通过踝关节三维有限元模型,研究静止站立位后踝骨折后胫距关节面的应力变化及位移趋势,为后踝骨折的治疗提供理论依据。方法以一套正常人体站立位踝关节CT图像为原始数据,应用有限元建模技术,建立带有关节软骨的踝关节三维有限元模型,对模型的有效性进行验证。通过对后踝关节面进行分区、切割,模拟计算后踝不同骨折范围条件下施加正常应力时的关节软骨接触面积、最大接触应力、平均接触应力、最大位移等参数。结果随着骨折范围的增加,胫骨软骨接触面积呈逐渐减小趋势,胫骨软骨的平均接触应力值逐渐增大,胫骨相对位移增加。胫距关节的应力区主要集中在踝穴的外侧及前外侧,当后踝骨折面积超过1／3时,关节负重区面积明显缩小,关节位移趋势增加。结论后踝骨折面积超过1／3时,关节接触面积明显减小,应力变化明显增加,关节位移趋势增加,预后不佳,具有手术复位固定的指征。     

以关节不稳建立的大鼠骨关节炎模型

背景：骨性关节炎是一种复杂的多病因退变性关节疾病。早期进行骨性关节炎的防治尤其重要。但获取足量的适合研究的早期骨性关节炎的人类骨标本十分困难。 目的：观察关节不稳方法建立骨关节炎模型大鼠的关节软骨组织学变化。 方法：10周龄雄性SD大鼠随机分为2组：实验组切除右膝内侧半月板及内侧副韧带,对照组仅切开关节囊。于术后1,2,4,6,8周取右膝关节标本,行病理组织学检查分析大鼠骨关节炎病程的变化情况。 结果与结论：①术后2,4,6,8周,实验组关节软骨退变程度呈现轻度糜烂、溃疡磨损、严重磨损、骨赘形成等病理变化。②术后1,2,4,6,8周,实验组关节软骨评分均明显高于对照组(P < 0.05)。结果显示该实验采用内侧副韧带切断+内侧半月板切除方法成功建立了大鼠膝关节骨关节炎模型,且造模后4周内的病理、形态学改变类似于人类早期膝关节骨关节炎表现,是研究早期骨关节炎的理想模型。     

Effects of the material properties of a focal knee articular prosthetic on the human knee joint using computational simulation

BackgroundLocalized cartilage defects are related to joint pain and reduced function to the development of osteoarthritis. The mechanical properties of the implant for treatment do influence its longevity. Therefore, we aimed to evaluate the effect of material properties' variations of anatomically shaped focal knee implants in the knee joint using numerical finite element analysis.MethodsComputational simulations were performed for different cases including an intact knee, a knee with a focal cartilage defect, and a knee fitted with a focal articular prosthetic having three distinct mechanical properties: cobalt–chromium, pyrolytic carbon, and polyethylene. Femoral cartilage, tibial cartilage, and menisci contact pressures were evaluated under the load. In addition, bone stress was evaluated to investigate the stress shielding effect.ResultsCompared with the intact model, the contact stress of the focal implant model was increased; on the femoral lateral cartilage by 14%, on medial and lateral tibial cartilages by nine percent and 10%, on medial and lateral menisci by 23% and 20%. In contrast, the focal implant model had no effect on the menisci but contact stress on the tibial cartilage increased compared with the intact model. The BioPoly model showed the lowest contact stress on femoral and tibial cartilages. Additionally, the cobalt–chromium model showed the lowest bone stress that improved the load-sharing effect.ConclusionsThe results suggested that implant material properties are an important parameter in the design of a focal implant. The polyethylene model potentially restored the intact knee contact mechanics and it reduced the risk of physiological damage to the articular cartilage.     

Horizontally oriented clusters of multiple chondrons in the superficial zone of ankle, but not knee articular cartilage

Osteoarthritis is a progressive disease that is initiated at the surface of articular cartilage and proceeds to destroy the entire depth of the cartilage. The prevalence of osteoarthritis varies in different joints; e.g., the ankle joint has a very low prevalence of the disease compared to the knee joint. To better understand any inherent differences between the articular cartilage of the ankle and that of the knee that would account for the difference in occurrence of osteoarthritis, studies were undertaken to examine differences between the superficial zones in these two joint cartilages obtained from human donors. Chondrocytes in the superficial zones of the normal ankle (talocrural) and the normal knee (tibiofemoral) joints were identified with a monoclonal antibody specific for the superficial zone protein (SZP). When the chondrocytes from both joints were compared in serial horizontal sections, the chondrocytes in the superficial zone of the knee cartilage were seen either as isolated single cells or as doublets. However, the chondrocytes within the superficial zone of normal ankle cartilage were arranged in planar clusters containing multiple chondrons composed of 2-13 cells. There were no detectable differences in the chondrocyte clusters in the superficial zone of the ankle with respect to age, gender, or site on the cartilage surface. Adjacent to a lesion in an ankle joint with degenerative changes, the clusters were larger, containing up to 22 chondrocytes. This is the first report documenting the presence of multiple chondrons in the superficial zone of normal human adult articular cartilage.     

Biphasic finite element contact analysis of the knee joint using an augmented Lagrangian method

Biphasic contact analysis is essential to obtain a more complete understanding of soft tissue biomechanics; however, only a limited number of studies have addressed these types of problems. In this paper, a theoretically consistent biphasic finite element solution of the 2D axisymmetric human knee was developed, and an augmented Lagrangian method was used to enforce the biphasic continuity across the contact interface. The interaction between the fluid and solid matrices of the soft tissues of the knee joint, the stress and strain distributions within the meniscus, and the changes in stress and strain distributions in the articular cartilage of the femur and tibia after complete meniscectomy were investigated. It was found that (i) the fluid phase carries more than 60% of the load, which reinforces the need for the biphasic model for knee biomechanics; (ii) the inner third and outer two-thirds of the meniscus had different strain distributions; and (iii) the distributions of both maximum shear stress and maximum principal strain in articular cartilage changed after complete meniscectomy – with peak values increasing by over 350%.     

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。