人体膝关节动态有限元模型及其在TKR中的应用

目的 研究膝关节高屈曲活动下运动和应力等的动态特征。为膝关节生物摩擦学研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据 方法 建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型,对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析,并与相应的尸体实验的结果进行验证分析。结果 通过有限元分析,获得高屈曲膝关节的三维相对运动参数,胫股关节和髌股关节的接触位置和应力等动态力学参数。有限元分析结果表明,分别在膝关节过伸和高屈曲时,在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处、胫骨平台内后方和轮柱后部三个区域发生较高的接触应力。这些也正是假体发生较高磨损率的区域 结论 所建立的有限元模型能够对于膝关节下蹲动作的运动、接触等力学行为进行评估,为临床膝关节全膝置换术、膝关节假体的摩擦学研究及其膝关节假体设计提供有力的分析工具。     

人体膝关节股胫关节运动特性分析

目的　分析人体正常膝关节和人工膝关节高屈曲活动下股胫关节的运动,为膝关节运动特性研究、假体设计提供参考。 方法　选取健康志愿者,利用CT和MRI扫描数据建立正常全膝关节三维有限元模型以及TKA术后有限元模型,采取三束股四头肌肌力非同步变力加载,模拟人体下蹲运动,以分析股胫关节的相对运动特性,并检索相关研究结果以便对比分析。 结果　获得正常膝关节以及TKA术后人体下蹲过程中股骨相对胫骨的三维相对运动数据,结果表明,TKA术前、后股胫关节相对运动的总体趋势相近,同时在前后位移、远近位移、内外位移、内收外展和内外旋等最大值方面存在差异;同时通过对比分析TKA前后股胫关节相对运动以及相关文献数据,发现结果存在不同程度差异。 结论　究其原因,正常膝关节相对运动差异主要在于股胫关节各个运动方向上和不同屈曲度时约束程度的改变;人工膝关节相对运动差异主要来源于膝关节型面和结构的改变;同时与坐标系的定义、在体和离体的差异、负荷加载的差异相关。本研究针对人体正常膝关节和TKA术后膝关节股胫关节运动进行有限元仿真分析,对膝关节运动特性研究具有一定的参考价值。     

疲劳因素影响膝关节前交叉韧带的非接触性损伤生物力学

背景:膝关节前交叉韧带的损伤会触发膝关节的其他损伤,如慢性膝关节不稳,骨关节炎等。梳理非接触性膝关节前交叉韧带损伤有助于掌握损伤机制,降低损伤发病率。目的:对膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学机制和疲劳落地有关的损伤及生物力学变化进行阐述,探究有关疲劳因素在跳跃-落地运动时前交叉韧带损伤的研究进展。方法:由作者应用计算机检索PubMed数据库1988至2013年相关文献,在标题中以"ACL"、"landing"、"fatigue"等关键词检索,选择内容与膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究、疲劳落地与下肢损伤有关的文献,共纳入文献42篇。结果与结论:跳跃落地时膝关节外翻角、力矩、膝关节旋外和落地时较小的膝关节屈曲角是造成非接触性膝关节前交叉韧带损伤产生的主要生物力学机制。疲劳因素是非接触性前交叉韧带损伤的另一个重要因素,但在跳跃-落地运动中,疲劳效应对膝关节交叉韧带的生物力学作用并不清晰。这可能是由于疲劳水平、疲劳诱导方式和动作控制方面的差异所导致。疲劳诱导是研究疲劳状态下膝关节前交叉韧带损伤的关键,因而,量化的疲劳水平、专项性的疲劳模型和落地方式可以为探究疲劳状态下膝关节前交叉韧带损伤生物力学机制提供新的思路,同时为损伤的干预和恢复提供借鉴。     

膝关节生理解剖环境对膝关节生物力学特性的影响

背景：了解膝关节的生物力学特点对理解人工膝关节假体的设计原理和手术操作原则是至关重要的。 目的：分析膝关节周围的力学环境及与膝关节生物力学的关系,进一步探索膝关节的稳定性及损伤机制。 方法：应用计算机检索CNKI和PubMed数据库中1998-01/2011-08关于膝关节生物力学方面的文章,在标题和摘要中以“膝关节,韧带,半月板,关节软骨,生物力学”或“knee joints,ligament,meniscus,cartilage,biomechanical”为检索词进行检索。选择文章内容与膝关节生物力学有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。初检得到163篇文献,根据纳入标准选择关于膝关节损伤生物力学特性方面的25篇文献进行综述。 结果与结论：膝关节的稳定除了依赖膝关节骨以外,还以依赖前后交叉韧带的制约、内外副韧带的平衡、以及伸膝装置与股四头肌及腘绳肌的力量均衡,尤其是内外侧副韧带的平衡和稳定作用。说明膝关节的解剖环境决定了膝关节在负荷、运动及稳定等生物力学特性上的复杂性,因此,了解膝关节生理结构和解剖特点有利于掌握膝关节的生物力学特点,因此此方面的研究对膝关节疼痛、损伤及组织工程研究至关重要。     

正常膝关节和人工膝关节髌股关节高屈曲运动特性及其比较分析

目的　分析人体正常膝关节和人工膝关节高屈曲活动下髌股关节的运动, 为膝关节髌股关节运动特性研究提供参考。 方法　建立包括膝关节骨组织和主要软组织在内的正常膝关节以及人工膝关节的动态有限元模型,采用三束股四头肌肌力非同步变力加载的方式,对膝关节下蹲运动中髌股关节的运动特性进行研究,并与相关研究结果进行对比分析。 结果　通过有限元分析,获得高屈曲膝关节三维运动的相对运动参数。髌股关节在位移和旋转均呈现出相同的运动趋势,同时,存在局部的差异,在低屈曲时, 人工髌股关节表现出先外倾后内倾的运动趋势,而正常髌股关节表现出持续内倾的运动特性。 结论　通过仿真和对比分析,人体髌股关节的运动数据总体趋势近似,同时存在差异。 对于正常膝关节,差异的原因主要在于髌骨运动各个方向上和不同屈曲度时的约束程度的改变;对于人工膝关节,差异主要来源于膝关节型面和结构的改变,以及坐标系定义、在体和离体差异、负荷加载差异。     

人工膝关节在运动性损伤中的应用

目的:评价人工膝关节置换及其在运动性损伤中的应用前景。方法:以"人工膝关节,置换,运动性损伤,膝关节损伤为中文关键词;以:"artificial knee joint,arthroplasty,sports injury,knee joint injury"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与有关膝关节运动性损伤及人工膝关节置换相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以39篇文献为主重点进行了讨论膝关节运性损伤的生物力学特征及人工膝关节的发展与在运动损伤中的应用。结果:运动性膝关节损伤的性质主要为擦伤、挫伤、骨折、脱位、撕裂、劳损,严重的关节损伤、骨折、骨裂等损伤要经过手术治疗才能得到康复,必要时需要接受人工关节置换。人工关节置换能够出去痛灶、疼痛,恢复关节的活动功能,并能有效地调整肢体的长度,人工关节置换具有疗效的确切性和可预期性,但也存在如假体松动、磨损或折断等并发症。置换人工膝关节时首先考虑的问题是假体的材料,需要耐用且无排斥反应。结论:人工膝关节近年来发展迅速,解决了很多患者的关节疾病问题,随着材料学及生物学的发展,在采用材料特别是对假体的个性化设计方面还有很大提升空间。人工膝关节置换能够应用于某些严重的运动性膝关节损伤患者。     

有限元分析在人工膝关节置换中的应用

背景：人工膝关节置换作为治疗膝关节骨性关节炎、类风湿性关节炎等各类终末期关节疾患最有效的方法,广泛应用于关节外科领域。有限元分析是随着计算机技术不断进步而逐渐发展而来的一种生物力学研究方法,具有强大的建模功能和三维仿真特点。目前,有限元分析已广泛应用于骨科生物力学研究。目的：综述有限元分析技术在各类人工膝关节置换术中的应用现状与进展。方法：使用计算机检索PubMed、CNKI、万方数据库发表的关于有限元分析与人工膝关节置换的相关文献,文献发表时间为从各数据库建库至2022年8月,英文检索词：finite element analysis,TKA,UKA,revision total knee arthroplasty,knee osteoarthritis,knee joint,femoral component,tibia component;中文检索词：有限元分析,全膝关节置换术,单髁置换术,膝关节翻修术,膝关节,股骨假体,胫骨假体,最终共纳入53篇文献进行综述。结果与结论：(1)在全膝关节置换过程中,活动平台较固定平台降低了胫股关节接触面应力,从而减少了聚乙烯垫片的磨损;相对于机...     

人工髋关节假体材料磨损性能及其影响因素

目的:比较不同人工髋关节材料的磨损性能,提出预防假体松动的措施。方法:以"假体松动,人工髋关节,磨损,磨损颗粒,髋关节假体为中文关键词;以:"prosthesis loosening,hip,wear debris,hip prosthesis"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与人工髋关节假体的磨损及其影响因素相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以28篇文献为主重点进行分析人工髋关节假体材料摩擦磨损性能及其影响因素。结果:髋关节手术的方法、假体安装的技术及关节负重引起的假体与宿主骨之间的微动等机械性因素可能是人工髋关节假体松动的启动因素,而生物学因素-磨损颗粒可能调节着人工髋关节假体松动的后期过程,因此对机械性和生物学因素的研究可能会揭示人工髋关节假体松动的奥秘。结论:人工关节磨损产生微小磨损颗粒是人工关节后期松动的关键因素。通过对宿主骨质量的提高及对假体设计和材料的研究进一步深入,可以更好地预防和治疗髋关节假体的松动。     

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。     

人工全膝关节置换后关节活动度影响因素的研究趋势

背景：人工全膝关节置换后关节活动度是评价患者对治疗是否满意的关键,是患者膝关节功能恢复的主要观察指标。 目的：分析人工全膝关节置换后关节活动度研究领域的发展趋势,探讨人工全膝关节置换后关节活动度的影响因素。 方法：由作者用计算机检索CNKI数据库2002/2011收录的有关人工全膝关节置换后关节活动度的相关文献,检索时间为2002/2011,中文检索词为“膝关节,人工关节,人工假体,关节活动度”,英文检索词为“knee,artificial joint,prosthesis,range of motion”。共检索到244篇文章,按纳入标准和排除标准对文献进行筛选和分析,共纳入211篇文章。从膝关节置换前膝关节活动度、人工假体类型和置换后康复训练等方面来分析其影响因素。 结果与结论：近10年来,CNKI数据库学术期刊收录膝关节置换后关节活动度研究文献数量呈上升趋势,2010年发表文献量最多为38篇,占总文献量的18.0%;从检索的关键词可见膝关节置换在骨关节炎疾病的治疗中应用最多;相关研究文献的基金资助项目较少;《中国组织工程研究与临床康复》杂志因设有硬组织植入物栏目,发表的相关文献量最多为41篇,占全部文献量的19.4%。文献计量学的分析为中国从事人工全膝关节置换的临床医务工作者提供更有价值的参考信息,影响人工全膝关节置换后关节活动度因素有很多,而且存在很多争议,临床医生应该不断提高治疗技术和康复训练方法,尽可能的恢复患者的膝关节活动功能。     

高屈曲状态下膝关节静力稳定结构的生物力学研究进展

膝关节高屈曲状态在亚洲国家和中东地区的日常生活及特殊职业中极为常见。膝关节静力稳定结构包括前、后交叉韧带,内、外侧副韧带及关节囊,其主要功能是维持关节稳定性,其生物力学和运动学特点对全膝置换术中软组织松解、膝关节韧带重建及损伤后的康复具有重要意义。本文对近年来膝关节生物力学的研究方法及静力稳定结构在膝关节由伸直到高屈曲运动过程中的生物力学特点进行了阐述;对今后全膝置换术中软组织平衡、膝关节韧带修复与重建及伤后与术后康复方面的研究方向进行了展望和预测。     

膝内侧副韧带功能解剖和生物力学特性的研究进展

膝关节是人体最大、最复杂的关节之一。随着膝关节外科学的发展,对膝关节韧带的研究逐渐深入,关于膝内侧副韧带的功能解剖和生物力学特性的各种量化标准也逐渐完善,这是未来对膝内侧副韧带研究的发展趋势。膝关节内侧副韧带的功能解剖研究包括维持膝关节的稳定和限制胫骨外旋,韧带各纤维束在膝关节不同的屈曲、旋转角度和不同的步态周期下应力变化等方面;生物力学研究包括结构属性、线性硬度、粘弹性、对力学刺激的反应及与年龄、性别的关系等内容。该文对近年来膝内侧副韧带的功能解剖和生物力学特性的相关量化标准的研究进展进行了综述。     

数字化技术在颞下颌关节生物力学研究中的应用

目的:探讨近年来颞下颌关节生物力学研究的进展和发展趋势.方法:在 CNKI及Pubmed等数据库中检索近年来颞下颌关节生物力学研究的相关文献,总结颞下颌关节生物力学研究的发展、最新进展及未来趋势.结果:以三维有限元法为代表的数字化技术被广泛运用到颞下颌关节生物力学研究之中.在不同颌位及关节运动时,颞下颌关节各部有不同的生物力学分布特点.结论:数字化技术为颞下颌关节生物力学的研究提供了直观、便捷、准确的研究工具和技术支持.     

基于AnyBody骨骼肌肉多体动力学分析的有限元仿真

目的研究AnyBody骨骼肌肉多体动力学仿真技术的建模和有限元建模相结合的方法,进行临床骨外科生物力学分析。方法根据志愿者身高、体质量及CT数据,利用AnyBody软件建立志愿者个性化上肢的骨骼肌肉运动力学模型,模拟正常人肘关节屈曲运动,导出肱骨在屈曲运动过程中所受肌肉力、关节力、力矩及约束条件,作为有限元分析的边界条件。根据CT数据在MIMICS软件中进行三维重建,在Geomagic Studio软件中完成肱骨曲面化和位置坐标匹配,并在HyperMesh软件中进行网格划分和材料赋值。把三维重建的肱骨有限元模型导入ABAQUS软件中,施加AnyBody软件导出的边界条件数据并执行应力计算分析。结果在ABAUQUS软件中计算得到肘关节屈曲运动过程中肱骨的应力、位移结果,肘关节屈曲运动约90°时肱骨受到的应力和位移最大,分别为0.76 MPa、20μm。结论实现了肘关节屈曲运动过程中肱骨应力、位移的一个连续动态的分析,更符合人体生理解剖要求,为研究临床骨外科问题提供一个高效的分析平台及新的方法。     

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。     

一种用于膝关节生物力学研究的屈曲运动加载系统

针对膝关节生物力学特性研究的重要意义,设计和构建一种膝关节屈曲运动加载系统。系统由驱动装置、控制装置、判定屈曲角度的图像系统三部分构成。驱动装置包括步进电机和由一系列夹具、活杆等部件构成的传动机构,传动机构在步进电机的带动下驱动膝关节做屈曲运动。驱动装置的运行则通过由单片机、计算机、RS232等构成的控制装置实施控制。采用图像处理技术快速判断屈曲运动的角度,从而对屈曲运动进行反馈控制,实现了对膝关节屈曲运动的速度、幅度和时间长度的精确加载并对运动中屈曲角度的快速非接触式测定。该系统构造简单,易于操作,精度和可靠性较高,为研究膝关节动态生物力学特性,以及辅助膝关节患者术后恢复训练等提供了一种重要的工具。     

膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学研究进展

背景：膝关节前交叉韧带非接触性损伤严重的挑战着人体健康以及运动能力,对损伤的生物力学研究有助于探究和预防膝关节前交叉韧带损伤。 目的：对膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学因素进行阐述,探讨损伤的研究方法以及预防措施的新进展。 方法：由作者应用计算机检索PubMed数据库及CNKI数据1979至2011年相关文献,在英文标题和摘要中以 “anterior cruciate ligament,injury”和“anterior cruciate ligament,biomechanics”等关键词检索,中文文献检索以“逆向动力学”为关键词,选择内容与膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究、落地与损伤的关系、损伤的预防等相关的文献。共纳入文献67篇。 结果与结论：膝关节前交叉韧带非接触性损伤的因素较为复杂,且各种因素相互交错。对不同损伤因素的影响程度的研究较为有限。但是损伤的生物力学因素可以较为直观的解释运动中损伤的原理机制。因而损伤的生物力学研究方法的创新为揭示膝关节前交叉韧带损伤的本质原理和损伤的预防提供了新思路。同时应用正确的训练方法对预防损伤尤其是膝关节前交叉韧带非接触性损伤具有良好的效果。     

Maverick型人工椎间盘的生物力学研究

在＂中国力学虚拟人＂模型库中选择L4-L5基本功能单元,对新型的Maverick型人工椎间盘假体进行了生物力学研究。在相同的边界条件和加载作用下比较正常组和假体植入后椎体皮质骨、松质骨上的应力变化,比较L4和L5两椎体间的相对运动范围和小关节上受力变化。其结果从生物力学角度证实了Maverick型假体可以重建椎间盘高度,满足椎体间相对运动的要求。但由于假体材料属性与椎体骨组织的属性相差很大,假体植入后会引起椎体骨应力的改变,增加小关节的受力,因此其远期的疗效还需要通过随访进一步研究。     

膝关节假体置换发展及数字化成型技术的应用

背景：随着膝关节假体材料及生物力学研究的不断深入,假体设计不断更新。如何提高假体置入的几何精度,重建生物学意义上的膝关节,一直是临床关注的核心问题。 目的：总结不同膝关节假体的临床应用概况,探索膝关节三维重建个体化方案,为人工膝关节假体的设计及置换提供良好的生物力学基础。 方法：电子检索CNKI数据库、万方数据库中收录的膝关节假体设计,人工膝关节置换及数字化成型技术在人工膝关节设计中应用的相关综述、实验研究及临床论著,排除陈旧文献及置换方式保守治疗患者资料。 结果与结论：共纳入相关文献27篇。随着人们对膝关节生物力学和解剖的进一步理解,患者对人工膝关节的功能有进一步的要求,数字化重建技术为膝关节几何测量及置换的精准度提供新的思路和技术方法,为胫骨假体形态设计提供解剖数据,提高假体和截面适配度及关节稳定性,减少假体松动等并发症的发生,延长假体使用寿命。基于影像数据进行膝关节三维重建方案可行,效果肯定,可清晰、直观、多角度的观察膝关节的形态特点,既可作为骨关节局部解剖的教学方法又为临床应用提供可靠数据。     

直线前进变换为侧向跨步切入动作时的下肢生物力学变化

背景:侧向跨步切入动作是运动领域最常见的进攻技术,这显著增加了运动员膝关节受伤的风险,但目前相关侧向跨步动作的生物力学表现策略及下肢关节负荷特征并不十分清楚。目的:选择大学女子甲组篮球、足球运动员进行侧向跨步切入下肢动作策略,进行生物力学测试,并分析下肢关节的运动学及动力学参数,从而为运动员及教练员预防下肢伤害,尤其是膝关节十字韧带损伤提供重要参考。方法:选择某高校女子甲组足球及篮球各12名运动员作为研究对象,利用三维测力台及运动图像拍摄系统同步获取其侧向跨步切入动作的相关运动学及动力学参数,并运用SPSS 21.0分析软件对相关数据进行处理分析。该试验方案经天津体育学院伦理委员会批准。结果与结论:①足球运动员有较大的着地瞬间踝关节跖屈角度及髋关节外展角度、最大踝关节外翻角度、膝关节屈曲及内旋角度、膝关节屈曲及内旋角度变化量;②足球运动员有较大的踝关节外旋与髋关节内收力矩峰值,篮球运动员则有较大的踝关节跖屈力矩峰值;③篮球运动员有较小的前后分力制动第一及第二峰值、垂直分力第一峰值及较大的前后分力推蹬力峰值;④结果表明,跨步切入动作过程中,足球运动员习惯于前足着地方式进行急停,进而产生较高的地面反作用力,并增加膝关节屈曲角度进行缓冲,同时有较大的踝关节外翻角度及膝关节内旋角度,而篮球运动员在切入过程中膝关节屈曲角度较少,不利于下肢关节对地面反作用力的缓冲,并进而增加前十字韧带损伤风险。