步态周期下内侧半月板后根部分撕裂对膝关节生物力学的影响

背景：目前针对内侧半月板后根撕裂加速膝关节退变相关生物力学研究大多数仅限于在静态仿真设计的基础上对内侧半月板后根完全撕裂模型进行测试,而对内侧半月板后根部分撕裂在完整步态周期下的生物力学行为尚不清楚。目的：运用动态有限元分析的方法来比较正常膝关节模型与内侧半月板后根部分撕裂模型在完整步态周期下生物力学的差异。方法：以健康成年人右膝关节CT扫描数据为基础,建立包括骨、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内侧半月板后根撕裂模型。分别在2种模型上施加ISO标准步态载荷进行仿真测试。比较2种模型对应部件在各时相下应力、位移和接触面积的差异。结果与结论：(1)在完整步态周期下,健康模型内侧半月板后根云图应力分布均匀,而病理模型则在损伤区出现应力集中表现,健康模型最大应力出现在30%时刻外侧半月板内缘,值为29.68 MPa,病理模型最大应力出现在50%时刻外侧半月板内缘,值为30.34 MPa;(2)在完整步态周期下,健康和病理模型胫骨软骨应力分布大体一致,2种模型承受最大应力分别出现在步态周围50%,20%时刻,值大小分别为5.11,6.85MPa;(...     

腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析

背景：传统观点认为绝大多数的腓骨近端骨折是不需要固定的，他人和此次研究提示，近端腓骨结构对于膝关节后外侧结构的稳定性具有重要影响，其作用机制值得研究。目的：探讨腓骨近端骨折对于伸直状态膝关节各结构生物力学的影响。方法：运用有限元方法进行仿真生物力学试验。选用1名健康青年男性志愿者膝关节MRI和CT影像数据资料建立伸直状态下的膝关节有限元模型，并模拟4种近端腓骨形态：模型A为完整模型，模型B为腓骨头下以远1 cm骨折模型，模型C为腓骨近端最顶端向远端1 cm的尖端缺损骨折模型，模型D为腓骨近端最顶端向远端2 cm的骨缺损模型。在股骨干上施加纵向集中载荷1 500 N，对比分析膝关节伸直状态下，4种工况下膝关节各个结构最大等效应力、最大第一主应力的分布以及改变趋势。结果与结论：(1)模型A胫骨软骨、半月板外侧室最大等效应力大于内侧；胫骨平台、半月板内侧室最大第一主应力大于外侧；股骨软骨内侧髁最大等效应力大于外侧髁，股骨软骨内侧髁最大第一主应力大于内侧髁；(2)相较于模型A，模型C的软骨、半月板的最大等效应力和最大第一主应力大小以及分布情况无明显差异；(3)相较于模型A，模型B的最大等效应力...     

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。     

人体全膝关节精细有限元模型建立及有效性验证

近年来利用数字三维模型对人体全膝关节进行生物力学分析在国内外迅速发展,但是缺乏完整精细的膝关节有限元模型;同时对所建立模型的验证也比较单一,仅从韧带或者软骨受力单方面进行有效性的验证,导致模型的实用性和广泛性受到限制。目的以一种创新、高效的方法三维重建精细人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、腓骨软骨、半月板、交叉韧带、侧韧带、髌韧带等组织结构,并对整体模型有效验证。方法利用CT和MRI医学影像,使用Mimics、3-Matic、Geomagic、Solidworks、Abaqus软件获得完整、精细的人体膝关节模型;在内外髁中点施加1 000 N竖直向下载荷,分析膝关节内外间室的力学分布及软骨的力学响应;以胫骨平台髁间隆起为参考施加134 N前向推力,模拟临床中的抽屉实验(ADT),获取各韧带组织的生物力学响应,并与现有人体实验及模型对比。结果 1 000 N载荷下,股骨软骨最大Mises应力值为2.514 MPa,半月板最大Miese应力值为7.693 MPa,胫骨软骨最大Mises应力值为1.848 MPa,均分布于膝关节的内侧;内外侧软骨接触面积分别为476.080 8 mm~2和338.446 8 mm~2;内外腔室分别承担总载荷的60.57%和39.43%。134 N载荷下,胫骨平台前端的位移量为5.687 mm;前十字交叉韧带(ACL)最大Mises应力值为28.030 MPa,后十字交叉韧带(PCL)最大Mises应力值为16.730 MPa,内侧副韧带(MCL)最大Mises应力值为4.511 MPa,外科韧带(LCL)最大Mises应力值为3.751 MPa;交叉韧带与股骨止点的最大Mises应力值为15.270 MPa。结论建立的精细膝关节三维模型很好地重塑了人体膝关节相关生物力学特性;该精细膝关节模型仿真结果与现有实验数据非常接近,证明了模型的有效性;完整、有效的精细全膝关节有限元模型将为植入物手术、人体运动分析、康复研究等打下基础。     

跳伞着陆过程中膝关节损伤的有限元研究

目的利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据,对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟,并分析膝关节损伤的机理。方法对16名健康志愿者进行半蹲式模拟跳伞实验,跳落高度分别为0.32m,0.52m和0.72m。基于核磁共振成像建立人体膝关节的三维有限元模型,采用实验测得的膝关节运动学和地面反力数据对跳伞着陆过程进行数值模拟。结果关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加,外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷,前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中。结论跳伞着陆的高速冲击是造成关节损伤的直接原因,外侧关节软骨和半月板更易受到损伤,前交叉韧带和内侧副韧带较易在屈膝幅度最大时发生撕裂。     

活动平台单髁膝关节置换胫骨后倾的有限元分析

背景：目前单髁膝关节置换中胫骨假体后倾角度的选择存在较多争议,相关的生物力学研究较少。 目的：通过有限元分析结果寻求活动平台单髁膝关节置换中合理胫骨后倾的角度。 方法：运用三维重建技术及有限元前处理技术建立正常膝关节有限元模型,并进行验证,在此基础上建立不同胫骨假体后倾角度的单髁膝关节置换有限元模型,统一边界条件和载荷,行有限元分析。 结果与结论：成功建立了不同胫骨后倾角度的单髁膝关节置换有限元模型,分析结果发现增大胫骨假体后倾可使胫骨后内侧皮质及松质骨应力逐渐增加,且增大了外侧间室载荷和软骨接触应力,而胫骨前倾使胫骨前内侧皮质应力明显增加。推荐活动平台单髁膝关节置换中选择0°-7°胫骨假体后倾。 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     

内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化

背景：膝关节内侧副韧带损伤易导致继发性的半月板及软骨损伤,长期慢性损害会引起骨关节炎的发生。目前,关于内侧副韧带断裂所致半月板及关节软骨损伤的力学研究较少。目的：探讨膝关节内侧副韧带不同程度损伤对膝关节半月板及软骨生物力学的影响。方法：选择一名健康志愿者行膝关节CT和MRI检查,获取其影像资料,将扫描数据依次导入Mimics、Geomagic及Solidworks软件,经配准融合后建立正常膝关节三维模型,并在此基础上模拟出膝关节内侧副韧带不同程度损伤的模型,共分为4组,包括：(1)内侧副韧带完整;(2)内侧副韧带深层断裂;(3)内侧副韧带浅层断裂;(4)内侧副韧带完全断裂。最后导入Ansys软件,对膝关节施加3种模式载荷：(1)股骨顶端施加10 N·m外翻力矩;(2)股骨顶端施加4 N·m内旋力矩;(3)股骨顶端施加4 N·m外旋力矩。分析4组模型在不同载荷下对膝关节生物力学的影响。结果与结论：(1)在膝关节伸直位,对膝关节施加10 N·m外翻力矩时,内侧副韧带不同程度损伤后外侧半月板总体应力均增加,关节软骨应力变化不明显,并且当内侧副韧带浅层出现断裂后外侧半月板应力峰值明显增大;(2...     

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。     

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。     

膝关节单髁置换界面应力失效分析

目的 分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法 通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果 步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论 假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。     

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...     

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。     

女性全身关节过度活动患者跳深着陆时膝关节应力分析

目的 分析全身关节过度活动(generalized joint hypermobility, GJH)女性患者与健康女性在跳深着陆中膝关节软骨、半月板von Mises应力分布差异。方法 采集女性GJH患者与女性健康受试者在跳深着陆缓冲阶段垂直地面反作用力(vertical ground reaction force, VGRF)峰值时刻的膝关节运动学与地面反作用力特征,通过逆动力学计算膝关节反作用力,并将膝关节沿股骨长轴方向的合力作为载荷;基于1名女性膝关节三维有限元模型,分别对2组受试者跳深着陆过程进行数值仿真,计算膝关节软骨与半月板von Mises应力及应力分布。结果 在跳深着陆VGRF峰值时刻,GJH组和对照组膝关节屈曲、外翻角度具有统计学意义(P<0.05)。相比于对照组,GJH组膝关节屈曲角度降低、外翻角度增加;在跳深着陆中,GJH组膝关节内部承受应力更大且胫股关节内、外侧室负重区应力分布不均衡,其股骨软骨外侧髁外侧、外侧胫骨软骨前部/中部外侧以及外侧半月板前角、体部外侧缘为应力集中部位。结论 女性GJH患者因膝关节活动范围增大、关节囊松弛,导致在跳跃类项目中膝关节...     

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。     

膝关节单髁置换术胫骨假体不同后倾角对假体磨损和功能的影响

目的 建立单髁置换术胫骨假体后倾3°和7°膝关节不同屈膝角度三维有限元模型,研究两种后倾角膝关节生物力学特性和假体磨损及其对功能的影响。方法 结合人体膝关节CT与MRI图像和第3代Oxford假体,建立胫骨假体后倾3°和7°下屈膝单髁置换术有限元模型,在股骨内外侧髁中心点上施加1 kN载荷模拟人体站立相负重,分析不同屈膝角度下单髁假体与关节软骨的最大应力及分布。结果 0°、30°、60°、90°和120°屈膝角度下后倾3°半月板衬垫最大应力分别比后倾7°增加了28.06%、68.99%、19.45%、21.06%、53.38%,应力分布区域从衬垫侧边向中央区域集中,屈膝120°时应力集中明显。胫骨假体后倾3°单髁假体最大应力均大于后倾7°,应力集中区域的扩大会导致假体的磨损和松动,关节软骨接触应力和集中区域随后倾角增大而增大,在高屈曲角度时应力集中更明显。结论 单髁置换术胫骨假体后倾角3°较7°时假体应力和磨损更高,研究结果为临床膝关节单髁置换手术方案设计提供理论依据。     

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%.     

单髁置换胫骨假体后倾角对关节接触应力影响

目的 建立活动平台膝关节单髁置换(mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty, MB-UKA)术前、术后 膝关节有限元模型,研究 MB-UKA 胫骨假体后倾角对关节接触应力影响。 方法 基于健康受试者计算机断层 (computed tomography,CT)及磁共振(magnetic resonance,MR)影像,构建健康膝关节有限元模型,并验证 MB-UKA 术前、术后模型的有效性。 模拟 MB-UKA 胫骨假体后倾 7°手术,将三维运动捕捉系统及力平台相关参数作为有限 元模型输入条件,分别计算外侧间室胫骨平台软骨和聚乙烯衬垫的最大接触应力。 结果 与现有文献结果进行对 比验证表明,健康膝关节和 MB-UKA 术后膝关节有限元模型计算结果较为合理。 MB-UKA 术后胫股关节接触应力 变化较大,聚乙烯衬垫接触应力远大于对侧间室胫骨平台软骨接触应力。 结论 本文所建 MB-UKA 术前、术后有 限元模型较为合理。 研究结果为 MB-UKA 的评估提供了一个可参考的方法。