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,相对粗糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等在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三维有限元模型的建立。     

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(P < 0.05),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(P < 0.05)。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。     

不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的建立和验证

背景：随着计算机技术和有限元理论的发展,通过建立膝关节主要韧带的有限元模型进行生物力学研究开始成为最重要的研究方法之一,而如何建立不同屈曲角度下的精确而有效的膝关节模型也成为了研究者们关注的焦点。 目的：探索建立不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的方法并进行验证。 方法：解剖膝关节标本,去除周围软组织并暴露主要韧带。将韧带用钢丝环绕标记后用CT机在不同屈曲角度下扫描,去除韧带组织后再将韧带止点打孔标记并用CT机扫描。将得到的图像数据导入到仿真软件MIMICS中进行三维重建。将三维模型进行必要的修饰和调整后导入有限元软件ANSYS中,在设置材料属性和划分网格后生成三维有限元模型。在有限元软件中对完全伸直角度下的有限元模型采用134 N前向力作用于胫骨,采集胫骨前移的数据并观察韧带受力情况以验证模型的有效性。 结果与结论：得到的模型外形精确逼真,包括股骨、胫骨、前后交叉韧带和内外侧副韧带,并且通过与其他学者的类似数据以及临床经验的比较验证了模型的有效性。实验所得到的模型具有较好的形态仿真和功能仿真,能够在不同屈曲角度下有效的模仿膝关节活动,可以用于开展进一步的生物力学研究。     

MRI影像下股骨髁间窝三维数字化解剖学数据与实体解剖测量值的差异

背景：X射线、CT、MRI二维图像测量股骨髁间窝受投照体位、选取测量层面等影响,测量准确性较差。 目的：比较MRI影像下股骨髁间窝三维数字化模型测量值和尸体实体解剖测量值的差异,探讨基于MRI影像下三维数字化模型的准确性。 方法：对尸体膝关节标本行MRI扫描,将MRI图像导入Mimics软件对股骨髁间窝进行三维数字化重建,测量三维数字化髁间窝的相关解剖学数据,同时对尸体标本进行解剖,测量实体解剖学数据。 结果与结论：三维数字化重建髁间窝顶长度、髁间窝宽度、内外髁宽度、髁间窝指数测量值与实体解剖测量值差异无显著性意义(P > 0.05)。说明基于MRI影像下股骨髁间窝的三维数字化模型能够准确反映实体标本信息,可用于正常人股骨髁间窝的解剖学研究。     

1000/基于PC机上颅脑CT二维图像的三维重建

目的: 在普通个人计算机上利用颅脑CT二维图像实现对颅骨的三维重建。方法: 利用正常人颅脑CT扫描数据集，采集二维图像数据，利用Amira软件对二维图像数据进行颅骨的图像分割、提取其轮廓线、三维可视化重建。结果：利用颅脑CT二维图像数据在普通计算机上得到了颅骨精细的三维模型。此模型能够多个视角显示和观察，并能单独显示某一分离的结构，同时可对其进行编辑和精确距离测量。结论：在普通计算机上应用软件进行三维重建可以获得颅骨精细的三维模型，解决了传统上只能依赖螺旋CT机进行三维重建的难题，为科研、教学及建立颅脑模型数据库提供方法和积累了资料，为三维重建技术在普通计算机上的广泛应用提供重要理论依据。     

低场强MRI可首选诊断膝关节隐匿性骨折

背景：MRI检查可以早期确诊隐匿性骨折,低场强磁共振成像还具有专有线圈使图像更清晰的优点。 目的：分析低场强MRI在膝关节隐匿性骨折诊断中的应用价值。 方法：回顾性分析45例经手术、关节镜检查或临床证实的膝关节隐匿性骨折患者低场强MRI情况。 结果与结论：45例病例在X射线平片正侧位上均未见异常,而低场强MRI检查均呈现T1WI呈低信号,T2WI呈高信号,在STIR上病灶与正常骨组织的对比度更高,显示出不同部位隐匿性骨折的病变部位、范围及形态,其中34例伴交叉韧带、副韧带及半月板撕裂。提示低场强MRI能敏感显示创伤性膝关节隐匿性骨折的病变特点及严重程度,诊断准确,同时能发现膝关节韧带、肌腱及软骨的损伤,为首选检查手段。     

一个新枕寰枢有限元模型的建立与生物力学分析

目的 建立一个新型枕寰枢复合体有限元模型并对其进行生物力学分析.方法 采集CT断层资料,应用Mimics软件完成枕寰枢的三维重建并获取点云数据,辅助以逆向工程完成骨性结构的曲面重构;采用Ture Grid软件建立包括关节软骨在内的全六面体有限元网格模型,建立模拟韧带的弹簧单元;在0.3 Nm和1.5 Nm外载荷下进行了前屈、后伸、侧屈和轴向旋转四种生理运动的生物力学分析及有效性验证.结果 该枕寰枢模型能对正常情况下生物力学特性如运动学、韧带应变、关节应力等进行预测.结论 枕寰枢有限元模型对枕颈交界区生物力学的改变及其稳定性的影响可以进行有效的、可重复的仿真分析,具有较高的实用性和临床参考价值.     

基于MRI图像胫股关节有限元模型的建立

选择1名正常青年男性,排除膝关节疾患,年龄28岁,体质量68 kg,身高175 cm,利用本院1.5T Twinspeed/Excite超导型磁共振扫描仪进行右膝关节连续失状位MRI扫描,扫描方式右膝关节自内向外不间断扫描。所得扫描图像经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0分析软件处理后建立胫骨关节三维模型,并将Geomagic Studio 8.0软件处理生成的STL文件转化为有限元分析软件ANSYS 11.0可接受的IGS文件。以此方法完成了MRI图像下胫股关节高仿真模型的建立。利用MRI图片,经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0软件处理建立了人体右膝胫股关节的三维计算机模型,为后期取股骨髁表面软骨修复指间关节损伤的有限元仿真分析提供了保证。结果提示,二维 MRI图片下所建立三维模型,解决了CT数据对软组织成像较差的不足,能够使模型更接近于真实解剖结构。     

儿童膝关节骨肉瘤半膝关节置换15例

为观察半关节假体置换用于儿童膝关节周围骨肉瘤的效果。于1998-10/2006-07对15 例膝关节周围骨肉瘤患儿行瘤段切除并半膝关节假体置换。影像学提示瘤灶位于股骨远端9例，胫骨近端6例，病变范围9~11 cm。术前经病理检查确诊为骨肉瘤。按Enneking分期，均在Ⅱa期。术前均行一两个疗程的化疗。术前根据X射线平片、CT 或MRI 测量设计匹配的假体，假体略长于截骨段1.0~2.0 cm。髌韧带及侧副韧带重建于人工半膝关节假体上。15例患儿均成功完成半膝关节假体置换。随访2~6年，患儿身高增加了4~6 cm，患肢短缩1~3 cm ，均能进行日常生活学习。按Enneking肢体肌肉骨骼肿瘤外科治疗重建膝关节置换后功能评估：优7例，良5例，中2例，差1例。说明将半关节假体应用于儿童膝关节周围骨肉瘤的治疗，具有重建膝关节功能，保留正常端骨骺，最大限度减少膝关节置换后患肢缩短，并为成年后行全关节置换创造了条件。     

磁共振关节内增强扫描评价膝关节骨质、半月板、韧带和关节软骨损伤的准确性：与常规磁共振扫描的比较

背景：常规磁共振检查可较为全面地显示关节内软组织的结构，但由于其成像后对比度欠缺等因素，在诊断关节内病变和损伤时仍存在一定的局限性。为了提高诊断的准确率，磁共振的增强扫描已应用于肝脏、脑等其他部位，但有关膝关节增强扫描的报道较少。 目的：评价磁共振关节内增强扫描对膝关节损伤诊断的临床应用价值。 方法：选择21例膝关节损伤患者(22膝)，采用美国GE公司生产的0.5T Signa Contour磁共振扫描仪先进行常规磁共振扫描。常规扫描完成后，向关节内注入增强剂，行关节内增强扫描。所有病例均由同一医师进行关节内增强操作，由两名副主任职称以上的医师进行阅片分析和对比。 结果与结论：所有病例在平扫中均发现有不同程度的关节结构损伤，包括骨质、半月板、韧带和关节软骨等。在磁共振增强扫描后进一步证实，其损伤的程度和范围上得到了更清楚的显示。同时，有2例平扫中误诊的半月板损伤，在增强扫描后得到否定；有的损伤部位在平扫中未发现的病变信号，在关节内增强扫描中被发现和证实。说明增强后磁共振扫描膝关节损伤的阳性率高于常规扫描。其中，增强前后半月板损伤诊断准确率差异有显著性意义(P =0.035)。提示，与常规扫描相比，磁共振关节内增强扫描可进一步提高膝关节损伤的诊断率。     

计算机辅助技术在骨关节疾病中的应用

背景：以往采用二维图像资料如X射线片、CT、MRI扫描等进行骨关节病手术设计,在反映骨关节病变严重程度、病变位置和畸形情况等方面不全面、欠准确,而且缺少直观性。 目的：研究计算机辅助设计和快速成型技术辅助骨关节伤病手术治疗的新方法。 方法：按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取106例骨伤病患者骨骼二维图像资料,采用计算机辅助三维重建建立骨、关节解剖模型,将骨、关节解剖模型输入CAD软件进行精确分析,进一步采用快速成型技术制作骨关节原型进行实物原型分析,然后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程设计、预演,选择合适的内固定材料,计算机辅助设计、快速成型技术制作外科手术辅助模板、个性化植入物等,最后精确实施骨关节外科手术。 结果与结论：31例骨关节畸形患者术后恢复良好的解剖外形和功能;17例前后交叉韧带损伤患者术后膝关节功能良好;31例骨折患者术后3~6个月获得骨折愈合;7例个性化假体和8例内固定重建肿瘤切除后骨缺损患者,随访期间未发现内固定器械断裂、假体松动和肿瘤复发;12例髋臼发育不良患者术后恢复正常髋臼包容和良好髋关节功能。提示计算机辅助技术可应用于骨关节畸形精确数字化矫形,设计个性化假体,辅助前后交叉韧带重建,疑难假体置换,辅助特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折复位、固定,骨肿瘤的个性化切除设计、结构与功能重建。     

自体骨膜包裹肌腱复合松质骨匀浆及重组人骨形态发生蛋白2体内成骨重建月骨*★

背景：月骨摘除术后选择合适的月骨替代物填充遗留的空隙，是维护腕关节生物力学特性和良好功能的关键。 目的：探讨自体骨膜包裹肌腱复合重组人骨形态发生蛋白2(recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2)与松质骨匀浆植入自体关节腔后的成骨和骨化机制，以及作为月骨替代物重建月骨的可行性。 方法：按随机数字法将45只新西兰白兔分成3组：骨膜包裹肌腱组、rhBMP-2组、单纯肌腱球对照组。分别以骨膜包绕肌腱团，1 mg rhBMP-2与游离肌腱、肌腱团块置入兔髌上囊。置入后3，6和9周取材，测量定量CT骨密度值，组织切片采用苏木精-伊红染色和免疫组织化学ABC法，在光镜下观察rhBMP-2分布。 结果与结论：移植物植入后，早期骨膜包裹肌腱组rhBMP-2染色阴性，9周时阳性，之后呈阴性，表明其骨化形成主要是在骨膜成软骨作用基础上的成骨过程，而无rhBMP-2的作用；rhBMP组显示rhBMP-2分布及骨化明显强于骨膜包裹肌腱组，且随时间延长逐渐加强，9周时呈强阳性，主要分布于新生骨细胞簇和新生软骨细胞簇及周围，之后随骨细胞成熟量增多而逐渐减弱。单纯肌腱球对照组玻璃样变，最终呈胶原状rhBMP-2染色始终阴性。各组各时间点定量CT骨密度值经统计学分析，除3周时骨膜包裹肌腱组、单纯肌腱对照组间无显著性差异(P > 0.05)，其余各组间差异均有显著性意义(P < 0.01)。自体骨膜包裹肌腱复合rhBMP-2及松质骨匀浆植入物在骨rhBMP-2及松质骨匀浆中rhBMP-2的诱导作用下可形成大量骨和软骨，有较强支撑作用，为其用作月骨替代物提供实验依据。 关键词：月骨；骨膜；重组人骨形态发生蛋白2；松质骨匀浆；修复重建     

三维运动学仿真男子举重运动员抓举技术及膝关节运动分析****☆

为了更好地分析抓举技术的运动学特征,并且探讨抓举运动损伤机制以及损伤预防的方法。首先,采用Optotrak Certus运动捕捉系统采集运动员抓举技术的运动学参数;其次,通过人体测量学参数和测量的各关节中心,对运动员骨骼系统进行建模;最后,将测量的Marker点坐标原始数据导入Visual 3D与骨骼系统模型进行关联,实现对抓举技术的三维运动学仿真。通过抓举技术三维运动学仿真结果进行分析,获取膝关节三维运动学参数与杠铃运动学参数,并对抓举技术进行了阶段划分。抓举比赛、训练时,髌股关节反复大强度的挤压牵拉,是导致膝关节慢性损伤的主要原因。伸膝提铃,容易发生半月板急性损伤;发力阶段,容易发生半月板、外侧副韧带和十字韧带急性损伤;惯性上升阶段,容易发生半月板、内侧副韧带和十字韧带急性损伤。结果提示,抓举技术三维运动学仿真的实现,可以作为分析抓举技术运动学、动力学以及应力学的基础,在研究抓举技术动作、发力机制、运动损伤机制和运动损伤预防等方面具有重要的意义。膝关节运动慢性损伤的预防主要应合理科学的编排训练,交替进行不同屈曲度的训练,避免过于集中的腿力训练结构。膝关节运动急性损伤的预防,主要是加强膝关节和周围的肌肉力量的训练,以及膝关节中的侧副韧带、十字韧带的功能锻炼,大强度的训练和比赛时,膝关节使用保护支持带。     

膝关节损伤生物材料及其生物力学特点☆

目的：总结近年对膝关节韧带的生物力学与人工韧带的研究进展,强调膝关节的损伤类型,膝关节前后交叉韧带修复的主要方法及进展。 资料来源：以human knee cruciate ligament, biomechanics, xenogeneic ligamentous, reconstruction为检索词,检索PubMed数据库(2008-01/2009-07);以膝关节交叉韧带,生物力学,重建,人工韧带,康复为检索词,检索中国期刊全文数据库(2008-01/2009-07)。文献检索语种限制为英文和中文。 资料选择：纳入膝关节及人工韧带相关的内容。排除已被证实落后的研究及重复性研究。 结局评价指标：①膝关节的生物力学特征。②膝关节韧带损伤的情况。③膝关节韧带的修复与重建方法。 结果：计算机初检得到526篇文献,根据纳入排除标准,对膝关节损伤生物材料及其生物力学进行分析。常见的膝关节损伤主要是韧带损伤,为恢复其功能主要采用手术重建,其中利用自体中1/3骨-髌韧带-骨作为移植材料的挤压螺钉内固定重建术,已成为重建前交叉韧带的标准方法。羟基磷灰石是一类具有良好生物相容性的生物活性材料,羟基磷灰石生物活性陶瓷植入体内不仅安全、无毒,还能传导骨生长,即新骨可以从羟基磷灰石植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长,能与组织在界面上形成化学键性结合。 结论：对膝关节及膝关节韧带进行生物力学分析是防止和治疗膝关节损伤及疾病的基础。具有表面羟基磷灰石涂层无螺纹的假体松动率最低,是最适宜的假体置换材料。 关键词：膝关节;损伤;生物材料;生物力学     

可注射性纤维蛋白凝胶/脱钙骨基质复合支架延缓兔骨关节炎软骨退变

背景：纤维蛋白凝胶及脱钙骨基质都有优良的生物相容性及生物降解性,因此可以作为软骨组织工程支架培养软骨种子细胞。这两种材料分别可以作为生长因子的载体缓慢释放生长因子,并达到持续发挥促软骨细胞生长的功能。 目的：验证可注射性纤维蛋白凝胶/脱钙骨基质复合支架延缓骨性关节炎的可行性及有效性。 方法：实验为同体对照动物实验。16只兔切断双后肢前交叉韧带制备兔膝关节骨性关节炎模型,兔一侧膝关节内注射复合支架材料与软骨细胞混悬液为实验组。另一侧膝关节内注射等量生理盐水为对照组,12周后取关节软骨,分别进行苏木精-伊红染色,Masson染色,Ⅱ型胶原免疫组化染色,并根据Wakitani标准及Outerbridge分类重新制定标准进行评分,评价实验组与对照组软骨退变的程度。 结果与结论：实验组关节软骨表面尚光滑,可见软骨陷窝,结构软骨退变较对照组轻;软骨细胞及Ⅱ型胶原较正常软骨组织轻度减少,关节囊组织无明显Ⅱ型胶原表达。实验组综合评分低于对照组(P < 0.01)。表明可注射性纤维蛋白凝胶/脱钙骨基质复合支架为早期骨性关节炎及骨缺损修复提供了一种优良的复合支架材料。 关键词：纤维蛋白凝胶;脱钙骨基质;骨关节炎;软骨;组织工程;兔 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.29.004     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计

背景：由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配。计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点,可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题。国内的研究尚处于起步阶段。 目的：基于CT图像的三维重建,探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用。 方法：CT扫描对象为1例健康男性志愿者,排除髋关节疾患。采用GE Speed Light 16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3 mm扫描,得到CT数据的二维图像,利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式。对位图编辑预处理,用Mimics8.1软件进行矢量化处理,提取股骨内外轮廓。然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中,生成股骨内外轮廓的特征曲线,重建股骨三维模型。将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入计算机辅助设计建模软件Solidworks2004中,以此股骨髓腔轮廓为基础,完成个体化股骨假体的设计。 结果与结论：利用自主开发的数据格式转换软件,实现了CT图像信息的矢量转换。以CT二维图像为依据,进行三维反求,可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型。采用反求工程与正向计算机辅助设计相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体。提示反求工程和计算机辅助设计技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径,解决假体与病变骨骼的良好匹配,可防止假体松动,提高其长期稳定性。