髌股关节排列异常的生物力学特性变化的实验研究

目的：采用电测实验应力分析和压敏片测量技术相结合的方法,对髌股关节的运动肌群应力的变化特点、髌股关节接触面积和应力分布进行了一系列实验测试。材料与方法：采用8具人膝关节标本,保留关节囊及股四头肌机腱,髌股关节间隙内安放压敏片,肌腱上安放应力传感器,进行不同条件下的加载试验。结果：（1）股四头肌肌力对髌骨的稳定起重要作用。股内、外侧肌力不平衡（即股内侧肌肌力较弱）可使骸股关节接触压力和分布状态发生变化,使外侧髌股关节面接触压力升高。（2）在模拟髌股关节排列异常（髌骨外侧倾斜）的标本上,外侧髌股关节面接触压力及范围均明显增高,但髌骨固定在相对较小范围,使局部应力集中。（3）模拟外侧支持带松解的标本上,外侧关节接触压力和面积均有所下降,髌骨活动度增大,缓解了局部高接触压状态,但股四头肌肌力的不平衡仍影响髌骨的稳定。结论：股四头肌肌力不平衡对髌股关节接触应力和分布状态以及髌骨的位移范围均有较大影响,提示临床治疗中不应忽视对股四头肌肌力的恢复。     

基于静态磁共振图像构建髌股关节准动态三维运动模型

目的　创建基于多屈膝角度静态膝关节磁共振图像,构建完整屈伸膝过程的髌股关节准动态三维模型的方法。 方法　选择1名健康成年男性,年龄30岁,体重65 kg,身高172 cm,对其右膝关节分别在0°、30°、60°、90°、120°5个屈膝角度进行MRI扫描,并将扫描结果以Dicom格式导入Mimics软件中,提取髌骨、股骨轮廓,重建五个屈膝角度的静态髌股关节三维模型,再将上述五个静态模型导入逆向工程软件Rapidform中进行同一坐标系的配准,利用三次样条插值算法,将离散静态髌股关节模型配准为动态三维运动模型。据此动态三维模型计算髌骨运动轨迹并与既往文献结果对比以验证模型的准确性。 结果　基于静态核磁共振图像可以快速构建准确而无辐射的髌股关节准动态三维运动模型,以此动态模型计算出的髌骨运动轨迹和髌股关节旋转轴与既往文献结果相一致。 结论　本方法成功构建了包含屈膝0°到120°间的完整髌股关节运动过程,在屈膝过程中,随着屈膝角度的增加,髌骨相对于股骨滑车不断俯屈,同时轻度的外倾和外旋。     

髌股关节紊乱行关节镜手术治疗对髌股关节生物力学改变的三维有限元分析

目的采用三维有限元方法分析关节镜下行外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术前后髌股关节应力分布的改变情况。方法建立髌股关节紊乱患者关节镜手术前后髌股关节三维模型,并计算分析在加载200 N载荷下模型在不同屈膝角度(30°、60°、90°、120°)时的髌股关节最大应力和应力分布。结果关节镜术后模型不同屈膝角度的髌股关节最大应力较术前明显减小;术前髌股关节应力集中在髌股外侧关节面,而术后髌股关节应力得到重新分配。结论关节镜下外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术后,髌股关节不同屈膝角度的应力得到改善,为关节镜手术方法可以有效恢复髌股关节内外侧关节面压力平衡提供客观理论依据。对于临床上存在力线异常的早期髌股关节紊乱患者,建议应尽早手术干预。     

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。     

保留和置换髌骨对全膝关节置换术中髌股关节轨迹不良临床效果的影响

目的探讨保留和置换髌骨对全膝关节置换术(TKA)中髌股关节轨迹不良术后的临床效果和影像学评价的影响。方法回顾性分析78例(80膝)TKA中髌股关节轨迹不良患者:保留髌骨组40例(41膝):保留髌骨进行TKA手术。置换髌骨组38例(39膝):置换髌骨,其余TKA手术操作相同。比较两组术后HSS评分、髌骨FELLER评分及影像学评价。结果术后随访时间23~132个月,平均64.2个月。两组数据HSS功能、髌骨FELLER评分手术前后对比有明显提高,而两组间差异无统计学意义(P0.05)。影像学评价:膝关节侧位片两组Caton Index指数没有明显变化=1.47(P0.05)、屈膝45°Knutsson髌骨轴位X线片髌股指数置换髌骨组优于保留髌骨组=2.65(P0.05),CT扫描外侧髌骨移位=3.12和髌骨倾斜角=3.39,置换髌骨组较保留髌骨组改善(P0.05),两组比较差异有统计学意义。结论对于髌股关节轨迹不良患者,恰当选择置换髌骨进行膝关节置换可改善髌股轨迹,进一步减少髌股关节并发症,提高人工膝关节置换的疗效。     

膝关节制动对髌韧带力学特性影响的实验研究

探讨膝关节制动对髌韧带力学特性和影响。我们将兔膝关节伸直位制动６周。然后对制动前后髌韧带的本构方程、极限强度、弹性模量、极限载荷等力学性进行研究．结果显示：正常组与制动组间髌韧带的应力－应变关系理论曲线有明显不同,其材料常数亦有显著差异;制动组髌韧带的极限强度张弹性模校正常组均有明显下降,其极限载荷下降不明显。上述结果表明膝关节制动使得髌韧带所受应力下降,为适应这种改变,组织将进行重塑,从而导致其     

膝关节矢状面机构模型

建立矢状面上膝关节二维机构模型，求解矢状面髌股关节求解屈膝过程中髌骨与股骨的接触点移动，髌骨倾角、髌韧带倾角变化，髌股关节功能角变化以及髌股接触力和髌韧带作用力的变化等髌股关节运动及动力学参数．依据膝关节主要组成部分的功能及相互间连接关系，以股胫关节交叉四连杆模型为基础，通过对髌股关节的几何描述及力平衡限定，并运用ADAMS软件进行分析计算，计算结果与文献实验结果吻合良好。     

胫骨旋转对髌股关节应力分布的影响

目的探明胫骨旋转状态对髌股关节应力分布的影响。方法选取7个新鲜离体膝关节,在屈膝30°、60°、90°状态下,分别用压敏片测量胫骨中立位、内旋10°、20°、30°和外旋10°、20°、30°时的内、外侧髌股关节接触压力与峰值。结果外旋过程中,外侧髌股关节的接触压均值和接触压峰值呈非线性递增趋势,内侧呈非线性递减趋势;内旋过程中,外侧髌股关节的接触压均值和峰值逐渐减小,内侧则增加显著。上述变化在内旋20°到外旋20°的范围内较有规律。结论胫骨旋转畸形使髌股关节应力分布严重失衡,可能是引起髌股关节退变的重要因素。     

弯道跑对下肢髌股关节应力的影响

目的 探究在较慢跑速下,相较于直道跑,弯道跑时两侧下肢髌股关节应力变化,分析长时间弯道跑增加髌股关节痛的可能性。方法 利用Newtest便携测速系统、Motion红外高速运动捕捉系统和Kistler三维测力台,采集13名普通男性大学生（无运动专项）以(4.0±0.2) m/s速度分别沿直道和弯道（内径为36 m）跑步时三维步态参数及地面反作用力。结果 相较于直道跑,弯道跑时外侧腿髌股关节应力增大。弯道跑髌股关节压力变化时未见膝关节屈曲角度和膝关节伸展力矩的显著变化。结论 长时间弯道跑会增加外侧腿患髌股关节痛以及加剧髌股关节痛患者疼痛感,建议跑步爱好者和髌股关节痛患者尽量避免重复长时间弯道跑。     

肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展

肌骨模型是基于生理学、工程分析和计算机三维图像技术的用于分析人体运动系统中肌肉与骨骼之间相对位置关系的几何模型,是分析人体生物力学特性的基础,由于其在研究人体肌肉骨骼系统生物力学上的优越性而越来越多地被应用.就肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展作一综述.     

Radio-anatomic position for the lateral radiographic view of the human patello-femoral joint

Summary Recent clinical and epidemiological studies have emphasised the importance of the patello-femoral joint (P-FJ) in osteoarthritis. X-ray examination of this joint for joint space width (JSW) assessment using the standard medio-lateral view is difficult. In 26 femora, the mean angle of inclination between the medial and lateral condyles measured at their inferior and anterior surfaces, relative to a line passing between the medial and lateral femoral epicondyles, was used to define the optimum alignment of the x-ray tube. The results showed that for medio-lateral radiography of the P-FJ, the central ray of the x-ray beam should be directed cranially, in a upward projection by 5° and then anteriorly by 4°, resulting in superimposition of the inferior and anterior condylar surfaces respectively. The value of these angles was confirmed by radiographs of the 26 femora and 10 post mortem joints. The margins for joint space width measurement were identified by embedding lead balls, within the cartilage of the cadaveric knees, and were defined as the median vertical ridge of the patella and the middle of the patella groove on the femur.

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Une position radio-anatomique pour la radiographie de profil de l'articulation fémoro-patellaire humaine

Résumé De récentes études cliniques et épidémiologiques ont souligné l'importance de l'articulation fémoropatellaire (AFP) dans l'arthrose du genou. L'examen radiographique de cette articulation, notamment pour l'appréciation de l'épaisseur de l'interligne articulaire en incidence médiolatérale de routine, est difficile. Sur 26 fémurs, l'angle moyen d'inclinaison des surfaces inférieure et antérieure des condyles latéral et médial par rapport à une ligne unissant les deux épicondyles a été utilisé pour définir l'alignement optimal du tube radiogène. Les résultats ont montré que pour une radiographie médio-latérale de l'AFP, le faisceau central de rayons X devait être dirigé crânialement de 5°, et antérieurement de 4°, permettant ainsi d'obtenir la superposition des deux condyles. La validité de ces angles a été confirmée par les radiographies de 26 fémurs et de 10 articulations cadavériques. Les repères pour la mesure de l'épaisseur de l'interligne articulaire, identifiés par l'insertion de billes de plomb dans le cartilage des articulations cadavériques, ont été définis comme étant la crête verticale médiane de la patella et le milieu de la gorge patellaire du fémur.

     

基于MRI的全膝有限元模型建立与前交叉韧带重建术模拟方案

目的建立完整的人体膝关节三维有限元模型,并在此基础上建立了用于前交叉韧带重建模拟的胫股骨隧道和人工韧带模型,为进一步分析打下基础。方法以MRI图像作为数据源,运用逆向工程软件Geomagic及有限元分析软件ANSYS9.0,参考大量有关实验测试数据的文献报道,建立所需三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型包括胫腓骨上段、股骨下段、胫股骨软骨层、胫股骨隧道、内外侧半月板、后交叉韧带、内外侧副韧带和髌韧带,几何形状良好。胫腓骨隧道和人工韧带的模拟巧妙简便,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内部的真实解剖结构及前交叉韧带重建术中的胫股骨隧道。     

Dynamics of spastic knee joint

Goniometric records of a swinging lower leg (pendulum test) provide useful information in assessing the level of hypertonia in normals, spinal cord injured (SCI) patients and hemiparetic patients. A linearised second-order dynamic model without forcing function is proposed for a normal and hypotonic paraplegic leg Forces which appear in the quadriceps muscle in spastic patients are simulated with hypertonia torquest T_h. A combined biomechanical and neural model is proposed to facilitate qualitative discussion of the observed phenomena. Large variability of goniograms in spastic patients as well as lack of detailed knowledge regarding the neurophysiology of spasticity prevents further development of realistic models which should be time varying and nonlinear.     

人体膝关节有限元动力学分析模型的建立与验证

根据乘员碰撞事故中人体膝关节的生物力学响应特性,应用有限元(FE)方法和碰撞模拟技术,构建了一个人体膝关节模型。模型按人体解剖学结构构建,由股骨内、外侧髁,胫骨内、外侧髁,腓骨小头、髌骨、软骨、半月板以及主要韧带构成。通过比较模型仿真和尸体碰撞实验在轴向载荷条件下膝关节受刚性碰撞的响应结果,验证了模型的有效性。该模型为研究人体膝关节损伤机理提供了可靠的基础数据,并可应用于乘员损伤防护装置的设计和开发。     

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。     

正走和倒走的膝关节生物力学特征比较

目的 比较正走和倒走两种不同行走模式时膝关节的生物力学特征。方法 采用三维运动捕捉系统Vicon T40和测力台AMTI OR6-7采集并比较13名健康青年男性志愿者正走和倒走时的时间、空间、运动学和动力学参数。结果 与正走相比,倒走时的步速、步频和步幅均显著减小,跨步周期和支撑相所占百分比显著增加;在矢状面上,倒走时膝关节活动度、最大屈伸力矩较正走小;在冠状面上,倒走时膝关节内翻外展活动范围也较正走小,内翻力矩峰值在支撑早期较正走小,但在支撑晚期较正走大;地面反作用力在支撑早期较正走大,但在支撑晚期较正走小。结论 倒走和正走膝关节生物力学特征差异明显。与正走相比倒走在支撑相早期能减轻膝关节内侧间室的负荷,而倒走在支撑相晚期对膝关节负荷的影响则尚须进一步研究。     

A three-dimensional representation of an athletic female knee joint using magnetic resonance imaging

Intense interest in knee joint mechanics has resulted in the development of numerous models to predict forces acting at the knee. However, few models have accounted for the unique geometric characteristics of the knee joint's articular surfaces when predicting the mechanical response of the joint. The purpose of this study was to simulate accurately the complex geometric characteristics of the tibiofemoral joint for input into a finite element model representing the knee joint of athletic females. The right knee of an athletic female with no history of knee joint trauma was imaged using a 0.5 T magnetic resonance imaging (MRI) unit. Twelve cross-sectional slices of the knee were scanned in each of three orthogonal planes (coronal, sagittal and axial) at slice intervals of 6 mm, 7 m, and 8 mm respectively. A scan plan (two coronal images and an axial image) was also generated to enable calculation of the orthogonal scans with respect to one another. Select anatomical reference points representing cancellous and compact bone, major ligament attachment areas, and articular cartilage of the distal femur and proximal tibia were digitized from the processed shadowgraphs. The processed digitized data were input into a computer graphics program which was the pre- and post-processing software for the finite element analysis package. Contours of the cancellous and compact bone of the tibial and femoral condyles were generated using beta and cubic spline curves. Bezier quadratic and cubic polynomials were used to reconstruct the tibial and femoral shafts. Accuracy of the model was verified by comparing the shape and proportionality of the simulated tibia and femur with the MRI images from which the model was generated and with anatomical literature. Comparisons demonstrated that subtle variations in the complex geometry of the tibiofemoral joint could be accurately simulated using data obtained from MRI scans of an intact knee. Refinements of the imaging and digitizing procedures were proposed to provide even greater accuracy in modelling the anatomy of the tibiofemoral joint.     

Fibrosarcoma in association with a total knee joint prosthesis

Summary A case of fibrosarcoma of the proximal tibia, arising at the site of a cemented Richards total knee joint replacement with cobalt chrome alloy is reported. The patient, an 80-year-old man, received the endoprosthesis because of osteoarthritis of the knee 4 years ago. The literature on malignant tumours occurring in association with endoprostheses is summarized and briefly discussed.     

Anatomic bases of a vascularized allogenic knee joint transplantation: arterial blood supply of the human knee joint

Summary The vitality of a graft in a vascularized allogenic knee joint transplantation in humans will depend strongly on maintaining the arterial blood supply to the bone. As can be demonstrated in injected specimens on cadavers, only periostal aa. are important to ensure the blood supply of the human knee joint. The main arteries have defined nutritive areas. According to our results access to the vessels should most probably be conducted from the dorsal side of the knee. During the explantation the popliteal a. should be ligated proximally as high up as possible and distally just above its trifurcation. The articular branch of the descending genicular a. of both the donor and the recipient can be ligated because of a rich anastomotic network. The medial and lateral inferior genicular aa. of the donor should be ligated ventrally as far forward as possible. One should, above all, preserve the medial inferior genicular a. of the donor in order not to endanger the medial part of the distal segment of the graft. If an operation is to be performed according to the results of our anatomical studies, vascularized allogenic knee joint transplantations should be successful from an anatomical point of view.

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Bases anatomiques de la transplantation d'une allogreffe vascularisée de genou : vascularisation artérielle de l'articulation du genou humain

Résumé La vitalité d'une greffe lors d'une transplantation d'allogreffe vascularisée de genou dépendra principalement du maintien de la vascularisation artérielle de l'os. Comme on peut le montrer sur des spécimens cadavériques injectés, seules les artères périostées sont importantes pour assurer la vascularisation artérielle du genou humain. Les principales artères ont des territoires définis. En fonction de nos résultats, l'accès aux vaisseaux serait au mieux mené par le versant dorsal du genou. Pendant le prélèvement, l'a. poplitée devrait être sectionnée proximalement aussi haut que possible, et distalement juste au-dessus de sa trifurcation. Le rameau articulaire de l'a. descendante du genou du donneur et celui du receveur peuvent être liées en raison du riche réseau anastomotique. Les aa. géniculées inféro-médiale et inféro-latérale du donneur devraient être liées aussi loin que possible en avant. Il faudrait par dessus tout préserver l'artère géniculée inféromédiale du donneur pour éviter de léser la partie médiale du segment distal de la greffe. Si une transplantation d'un allogreffe vascularisée de genou devait être réalisée en tenant compte du résultat de nos travaux, elle devrait être un succès du point de vue anatomique.