膝关节生物力学模型研究进展

膝关节属屈戍关节,活动复杂.膝关节活动中最主要的自主控制部分是屈伸运动[1].除屈伸运动,还有滚动、滑动、侧方移动和轴位旋转等复杂的多自由度运动模式.股胫关节运动包括四个轴方向的运动,还有髌股关节之间的运动.膝关节的稳定性依赖于膝关节的骨性结构、半月板、关节囊及附属韧带结构,这些结构的共同作用使膝关节能够保持静态和动态的稳定.了解膝关节的生物力学性质和行为,有助于理解膝关节各类损伤的转归及关节退行性改变的病理学,对设计各类膝关节伤病后的康复方案、膝关节矫形手术及安置膝关节假体具有重要的意义.膝关节的模型分为物理模型和数学模型,数学模型又分为现象模型和解剖模型.     

膝关节半月板的生物力学作用

半月板是膝关节的重要组成部分，具有多种生物力学功能，它可以扩大胫股接触面积，降低接触压力，影响胫骨近端皮质骨的表面张力，增加膝关节的前后，旋转，内外翻的稳定度，降低关节面之间的摩擦力，吸收冲击能量。因此，尽可能保留半月板对维持膝关节的正常功能有重要意义。     

内固定骨折愈合的生物力学概念

骨折及骨折治疗都产生骨物理环境的明显变化,因而对于愈合过程中骨物理环境的分析,以及对于骨和软组织对外力和变形的反应进行研究是有意义的。虽然这种片面的骨折愈合观点已经为经过各种不同方法治疗的骨折愈合提供不少资料,但重点将放在不同组织对应变的耐受力,也即是骨折间隙的相对变形上。组织愈合结果的重要机械特点是强度和刚度。在愈合的早期,应变耐受力最重要,所以这一点以及骨折愈合中有关应变、强度和刚度的问题将进行讨论。     

骨和骨折的生物力学基础概念

骨骼是运动系统的一个重要组成部分。由于骨骼有特殊的、各异的形态,既有强度又有一定弹性,所以它起着支持体重、参与运动和保护重要器官的作用。在负重与运动的情况下,骨骼,特别是肢体的骨骼,具有杠杆的作用,使肌肉可以收缩以维持姿势並产生运动。因此骨骼始终受到各种复杂外力的影响。这里有体重加在骨骼上面的力,也有肌肉收缩时加在骨骼上面的力。一旦骨骼发生骨折,在愈合过程中,断骨连同骨痂组织也始终受到各种力的影响。因而有必要先复习一下机械力学的基本知识。     

Vicon运动捕捉系统对单侧膝关节置换术后双侧膝关节生物力学的评价

目的探讨双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后膝关节生物力学情况。方法应用Vicon运动捕捉系统采集30例双侧膝关节骨关节炎单侧膝关节置换术后行走数据,比较手术侧与非手术侧膝关节生物力学差异。结果手术侧与非手术侧膝关节生物力学存在明显差异。手术侧矢状面膝关节最大屈曲度、最大伸展度及最大活动范围较未手术侧增大(P<0.05);手术侧冠状面膝关节最大内翻度较未手术侧减小(P<0.05),手术侧冠状面膝关节最大外翻度较未手术侧增大(P<0.05);手术侧膝关节角速度和角加速度较未手术侧增快(P<0.05);手术侧膝关节屈曲力矩峰值较未手术侧增大(P<0.05),手术侧膝关节伸展力矩峰值较未手术侧减小(P<0.05);手术侧膝关节前后方向和垂直方向受力较未手术侧增大(P<0.05),手术侧膝关节左右方向受力较未手术侧减小(P<0.05)。结论采用Vicon运动捕捉系统对单侧膝关节置换术患者进行双侧膝关节生物力学评价可以准确地判断手术疗效和预测非手术侧手术时机。     

不同手术治疗膝关节骨关节炎后的生物力学分析

目的 对比膝关节骨关节炎不同手术方法术后步态参数.方法 选取2018年3月至2019年3月在天津医院治疗的膝关节骨关节炎手术患者90例,其中30例行胫骨高位截骨术(HTO),30例行膝关节单髁置换术(UKA),30例行全膝关节置换术(TKA).收集术后1、3、6个月患者的步态参数.结果 术后1、3个月,UKA组步态时空...     

骨科生物力学的基本名词(上)

对骨科医生而言,学习生物力学有三个目的.首先,他们可以与作研究发展及医疗器械设计生产的业者沟通,以了解新的技术与产品在临床中的应用.其次,可以与专业者合作从事研发工作,建立自己专业之外的学术兴趣.最后,他们在拥有生物力学专长之后,可以投入教学培训的队伍以教育引导医学生,让他们也能对生物力学产生兴趣并对其不断改良,扩展生物力学对骨科基础科学及临床领域的贡献.     

膝关节韧带和肌腱的生物力学研究(上)

在体育运动和日常活动中,膝关节韧带和肌腱的损伤时有发生.它们的断裂造成膝关节运动的异常,破坏膝关节运动与稳定之间的平衡,损伤膝关节内部及其周围组织,从而导致关节炎症和疼痛. 在过去的30年中,我们对韧带和肌腱在膝关节功能中所起作用的认识有了很大的进步,并对它们的生物力学和生物化学性质进行了描述.     

膝关节后外侧角解剖和生物力学研究新进展

膝关节后外侧角(PLC)损伤是一种严重的膝关节损伤,严重影响患者的工作和日常生活.PLC主要包括韧带、肌肉肌腱复合结构,其主要功能是防止膝关节内翻、胫骨外旋和后坠.其功能是其他韧带结构成功修复的基础,因此PLC损伤后的修复重建对膝关节功能恢复至关重要.目前PLC的诊治仍然棘手而富有挑战性,需通过解剖和生物力学研究才能提高其诊治水平.生物力学最新研究提示外侧侧副韧带、胭肌腱和胭腓韧带是PLC最为重要的稳定结构,外侧侧副韧带不仅是抗膝关节内翻结构,而且最新发现其在屈膝30(内也是重要的抗外旋结构,胭肌腱和胭腓韧带在屈膝超过60(才是主要的抗外旋结构.该文旨在对PLC的解剖和生物力学研究加以综述.     

膝关节韧带和肌腱的生物力学研究(下)

七、韧带与肌腱的有限元模型 在过去的20年间,为了更好地理解ACL的功能与损伤机制,出现了很多在体和离体ACL的受力、应力以及应变的量化的研究工作.研发出了大量的传感器[66-71],并且获得了许多有价值的信息.但这些可植入的传感器改变了韧带的形态,测量点也是分散的.而且,这种局部的测量不能定位的较大应力和应变,特别是在骨的附着点处或其附近.     

膝关节韧带和肌腱的生物力学研究(中)

五、增强愈合韧带和肌腱性能的功能性组织工程学方法功能性组织工程学(functional tissue engineering,FTE)是一个为了寻求更新的治疗方法而出现的联合了分子生物学、生物化学以及生物力学的新型领域.过去十年,我们探索了一些新的方法来改善韧带和肌腱的愈合与调节.     

骨科的生物力学基本名词定义(下)

一、变形体力学（mechanics of deformable bodies） 变形（deformation）：结构或结构的某一部分形状、大小的改变. 应变（strain）：是一种形变的测量,即组成物体的小单元形状及大小相对于未受力前状态的改变. 线应变（normal strain）：对于一条直线的延长或收缩的比率测量,因此线应变是无量纲的.     

膝关节盘状半月板有限元模型的构建及生物力学分析

[目的]通过CT和MRI数据融合构建膝关节盘状半月板有限元模型,并进行有限元分析和验证,为盘状半月板研究提供可靠的有限元模型。[方法]采集包含盘状半月板膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Ansys软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。[结果]在600 N轴向压力下,股骨与胫骨软骨面发生接触,半月板传导轴向载荷。外侧盘状半月板上表面挤压应力峰值为2.21 MPa,出现在体部的中央;内侧半月板上表面挤压应力分布于前角、体部、后角的游离缘,峰值为6.61 MPa,出现后角游离缘。股骨软骨的挤压应力峰值出现在外侧髁,为0.67 MPa;股骨内侧髁挤压应力峰值为0.52 MPa。胫骨软骨的挤压应力峰值出现在内侧平台,为1.39 MPa,胫骨外侧平台挤压应力峰值为0.62MPa。[结论]通过CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节盘状半月板有限元整体模型,能为研究盘状半月板生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

有关全膝关节置换术一些生物力学问题（二）

有关全膝关节置换术一些生物力学问题（二）赵钟岳吕厚山（上期连载文章刊登于本刊１９９７年第４卷第１期６０页）４．３旋转瞬时中心或胫股关节面的接触点〔３〕动力性负荷产生力矩，此力矩一定为肌肉收缩相抵抗。力矩之大小及收缩之肌力取决于旋转瞬时中心或膝关节面的...     

有关全膝关节置换术一些生物力学问题（一）

有关全膝关节置换术一些生物力学问题（一）赵钟岳吕厚山⒇１前言膝关节由内、外侧胫股关节及髌股关节组成，这组关节受到韧带、关节囊张力的被动性稳定及肌肉收缩的动力性稳定。由于关节面的几何学结构、韧带的约束而且有关节面的主要活动以及其它平面的精巧运动而灵敏地...     

髋关节和膝关节的生物力学及人工关节的设计——人工髋、膝关节技术进展介绍之一

自从1938年Wiles首次做人工髋关节置换术以来,人工关节的研究有很大进展;六十年代以来,人工髋、膝关节置换手术得到了更广泛的应用。临床实践证明:相当一部分病员手术后人工关节松动、甚至折断;原因之一就是因为人工关节的设计和置换不符合生物力学的要求。本文着重介绍正常人体的髋关节和膝关节的生物力学,以及如何根据生物力学的要求设计和置换人工髋、膝关节。     

机器人辅助膝关节单髁置换术对坐起动作的生物力学影响

机器人辅助膝关节单髁置换术作为一项新兴技术,具有快速、安全和可重复性好等特点,能够显著提高手术的精准度和准确性,降低术后并发症的发生率。本文针对机器人辅助膝关节单髁置换术对坐起时膝关节生物力学的影响进行综述,旨在为临床手术提供更加科学和规范的参考和指导,为机器人辅助膝关节单髁置换术在临床上应用提供更为可靠的技术保障。     

肿瘤膝关节假体置换术后患者坐立-起身的生物力学研究

目的通过肿瘤膝关节置换术后坐立-起身生物力学特征,探讨个性化康复策略与健侧肢体的预保护措施。方法采集三种起身方式与五种椅面高度下的坐立-起身步态。通过坐立-起身(sit-to-stand,STS)完成时间、膝关节屈伸角度、地面反作用力对称度来综合评估置换侧、健侧的受力情况。结果肿瘤膝关节置换术后(试验组)手撑扶手、双手叉腰、手撑桌面耗时依次为5.6s、2.5s、4.6s,对照组依次为2.2s、3.0s、3.6s,手撑扶手时差异具有统计学意义(P0.05)。实验组膝屈伸角度随椅面高度增加,健侧与置换侧分别呈现相应趋势。坐立-起身过程下肢地面反作用力对称度介于0.5～1.0。结论肿瘤膝关节置换术后STS时以健侧代偿为主,STS呈现不对称性。术后早期使用个性化矫形器、鞋垫或支具,能促进膝关节有效康复,对健侧起预保护作用。术后应实施对称性康复策略。     

日间手术的概念和基本问题

日间手术[ambulatory（day） surgery]的概念最早是英国小儿外科医师Nichol提出的，是指选择一定适应证的病人。在1个工作日内安排病人的住院、手术、手术后短暂观察、恢复（一般数小时）和办理出院，病人不在医院过夜。他报告了7000例日间手术，认为日间手术的满意度与住院手术相似。这种手术方式开始还不被广泛接受，随着麻醉技术的进步、手术技术的提高、护理观念的发展、病人更愿意享受类似家庭病房氛围的医护模式。另外，加上日间手术具有缩短住院等候时间、减少医疗费用的优势，故逐渐被医生、病人、政府和保险机构所接受。1970年，美国出现了第一个独立的日间手术中心，很多国家开始推广日间手术。在日间手术的实践中，针对一些因本身伴随疾病、或独居老人、或家属缺乏专业护理知识不能及时发现术后病人病情变化者，又出现了延长恢复期的日间手术（ambulatoy surgery with extended recovery），即病人当日住院和手术后，     

初次全膝关节置换术中使用短延长杆的生物力学研究CSCD

目的:使用有限元分析来研究初次全膝关节置换术中胫骨侧使用短延长杆对胫骨应力分布的影响。方法:选取1名健康成年女性志愿者,通过三维重建及有限元分析软件建立膝关节胫骨模型。分别在无骨缺损、中度骨缺损、重度骨缺损胫骨模型上使用标准胫骨平台(CMATM)、翻修胫骨平台(PSATM)+30 mm延长杆、标准胫骨平台(CMATM)+30 mm延长杆,建立9组有限元模型,模拟下肢负重时的载荷及约束,分析胫骨平台及胫骨近端应力分布情况。结果:在无骨缺损模型中,相比于标准胫骨平台,使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆及标准胫骨平台+30 mm延长杆的胫骨平台应力分别增加2.55%和减少11.17%(P=0.766,P=0.168);胫骨截面A应力分别减少4.53%和10.90%(P=0.562,P=0.220);胫骨截面B应力分别减少2.74%和8.67%(P=0.303,P=0.263)。在中度骨缺损模型中,相比于标准胫骨平台,使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆及标准胫骨平台+30 mm延长杆的胫骨平台应力分别减少7.54%和22.85%(P=0.007,P=0.001);胫骨截面A应力分别减少8.58%和16.56%(P=0.096,P=0.039);胫骨截面B应力分别减少1.28%和7.97%(P=0.442,P=0.255);骨缺损处所受最大应力分别减少6.63%和17.75%。在重度骨缺损模型中,相比于标准胫骨平台,使用翻修胫骨平台+30 mm延长杆及标准胫骨平台+30 mm延长杆的胫骨平台应力分别增加3.95%和减少13.21%(P=0.037,P=0.001);胫骨截面A应力分别减少6.65%和14.88%(P=0.082,P=0.041);胫骨截面B应力分别减少1.43%和8.15%(P=0.392,P=0.221);骨缺损处所受最大应力分别减少0.25%和11.75%。结论:对于无骨缺损的患者,使用标准胫骨平台即可。对于合并骨缺损的患者,建议在标准平台的基础上添加30 mm短延长杆。