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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

膝关节参数在膝前疼痛中的意义

背景：膝关节参数如合适角异常对于膝前疼痛有统计学意义已在CT测量下证实,但是没有在临床手术实践中证实。 目的：通过对膝前疼痛患者髌骨X射线轴位片上的合适角、髌股指数、外侧髌股角、倾斜角等参数的测量,分析这些参数对膝前疼痛的诊断价值。 方法：纳入不同程度髌股关节软骨损伤的膝前痛患者50例患者的50个膝关节,测量髌骨X射线轴位片上合适角、髌股指数、外侧髌股角、倾斜角参数,同时与50例无膝前痛仅存在半月板损伤的50个膝关节进行比较。 结果与结论：髌骨X射线轴位片的合适角及髌股指数、倾斜角对于膝前疼痛有显著性差异,外侧髌股角无显著性差异。髌骨X射线轴位片的合适角、髌股指数对由髌股关节紊乱导致的膝前疼痛患者有重要的诊断治疗价值,是对髌股关节紊乱具有临床意义的有效参数。     

膝关节动态有限元模型的力学分析

背景：膝关节具有解剖结构复杂性,活动多样性的特点。目前人体膝关节的生物力学研究由于不能进行直接的人体实验而进展缓慢,在尸体上进行实验又不具备正常人体的生理环境,其实验结果并不准确。 目的：采用了工程学的有限元分析方法,在无创、活体的条件下,研究膝关节各部位的受力情况。 方法：利用CT图像建立膝关节的三维动态有限元模型,在膝关节0°-90°范围内分析前后交叉韧带和髌股关节的受力。 结果与结论：前交叉韧带在屈膝0°时张力最大,然后逐渐减小,在屈膝50°-90°之间无明显变化,而后交叉韧带恰恰相反,在屈膝0°-50°时变化不大,之后逐渐增大,屈膝90°时达到最大值。髌股关节受力分析发现,髌股关节的压力是随着角度逐渐增大的。提示膝关节动态三维有限元模型能够逼真模拟膝关节活动,研究正常人膝关节各部位的受力,是骨科生物力学分析的有效工具。     

不同躯干约束下蹲姿对人体下肢运动学和动力学的影响

目的 探究躯干控制对青年群体亚洲蹲和西方蹲时下肢运动生物力学特征的影响,为深蹲训练的应用和推广提供实证性依据。方法 24名健康男性青年大学生在带杆、无杆控制条件下进行亚洲蹲和西方蹲,运用红外光点运动捕捉系统和三维测力台采集其下肢运动学和动力学特征。通过Cortex-642.6.2软件,根据欧拉角方法计算获得下肢三维角度,运用逆动力学方法得到三维力矩。通过2×2重复设计的双因素方差分析检验躯干控制和深蹲姿势对下肢运动特征的影响。结果 躯干控制和深蹲姿势对运动学和动力学参数均无显著性交互作用(P>0.05)。西方蹲具有较大的膝关节屈曲角、髌股关节接触力峰值、髋膝伸展力矩峰值之比,较小的踝关节背屈角、髋关节屈曲角(P<0.05)。带杆深蹲具有较大的踝关节背屈角、髌股关节接触力峰值和髋关节屈曲角,较小的膝关节屈曲角、髋膝伸展力矩峰值之比(P<0.05)。结论 西方蹲有助于训练伸髋肌群肌力,亚洲蹲则有助于训练伸膝肌群肌力。西方蹲髌股关节接触力峰值显著大于亚洲蹲,故推荐髌股关节痛患者采用亚洲蹲。带杆深蹲可补偿人体平衡,建议由于踝关节背屈活动范围受限或胫骨前肌无力人群可以考虑进行带...     

人工膝关节置换术中髌骨截骨厚度对髌股关节压力及髌骨应变影响的研究进展

目的 总结髌股关节力学特点及人工膝关节置换术(TKA)中髌骨截骨厚度变化对髌股关节压力及髌骨应变影响的研究进展。方法 在PubMed、Springer Link、FMJS、万方等数据库以“髌骨厚度、髌股关节应力、髌骨应变”为关键词,检索1985年1月—2015年1月国内外有关髌骨厚度变化与髌股关节力学关系的相关文献资料,并进行汇总分析。结果 TKA术中无论是否进行髌骨置换,髌骨厚度的变化均会导致髌股关节力学特点的变化,可能会加剧髌股关节假体间的磨损或增加髌骨内压力,从而导致假体磨损、松动或膝前痛的发生。髌骨厚度增加2～4 mm可能会增加髌股关节压力及手术失败的风险。截骨过多时,髌骨应变比截骨较少的髌骨要大,从而有更高的骨折风险,或导致髌股关节痛。结论 TKA术后髌骨应尽量保持术前厚度,以保持髌股关节力学特点的稳定,减少髌股关节压力和假体磨损。髌骨截骨厚度减少可以降低术后髌骨应变,从而降低了髌骨骨折及膝前痛的发生率。     

基于MRI建立膝关节前交叉韧带三维数字化模型

背景：近年来有关膝关节前交叉韧带三维数字化模型的研究在国外发展迅速,但在国内,未见对包括全膝关节及前交叉韧带在内的三维数字化模型进行基础解剖研究的报道。 目的：评估运用MRI二维图像及MIMICS软件建立膝关节及前交叉韧带三维数字化模型的真实性及可靠性。 方法：选择20例新鲜成人尸体正常膝关节标本,利用MRI对标本进行二维扫描,获得层厚为1.0 mm的连续图像资料,将该资料以DICOM格式导入计算机并利用MIMICS软件进行三维重建,建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的双膝关节三维实体数字化模型,利用测量软件测量相关指标;同时对尸体标本进行解剖并测量膝关节前交叉韧带的相关参数,与模型所测指标行配对比较。 结果与结论：尸体标本测量数据与三维实体数字化模型测量数据的结果差异均无显著性意义(P > 0.05)。提示利用MRI采集获得的人体膝关节及前叉韧带图像数据可以建立较为真实可靠的膝关节及前交叉韧带三维实体数字化模型。     

球囊撑开器对儿童膝关节生物力学影响的有限元分析

目的：基于儿童膝关节MRI图像建立正常膝关节三维实体模型和球囊完全撑开膝关节的三维有限元模型,采用有限元法分析两种球囊撑开器（分开设计/一体化设计）对膝关节的生物力学影响。方法：使用医学建模软件建立儿童膝关节有限元模型,模拟儿童膝关节镜手术过程。建立两种球囊撑开器模型,对球囊模型施加不同的压力,探究分开设计时3种不同形状球囊和一体化设计时不同短轴尺寸球囊与膝关节软骨相互作用的应力分布情况,获得撑开方式的最优设计。结果：当撑开器与膝关节镜分开设计时,球状球囊对软骨的峰值应力影响较小;当撑开器一体化设计时,短半轴3.0 mm逐渐增大尺寸,环状球囊的应力峰值变化较小且软骨上的应力峰值较小,环状球囊短半轴取3.0 mm是一种较优的尺寸。结论：球囊撑开器可以有效撑开一定的膝关节间隙,撑开器一体化设计相比分开设计在术中对膝关节影响较小。本研究为球囊撑开器中球囊几何结构的设计提供理论依据,提高了半月板手术治疗的安全性。     

基于CT影像的人体踝关节三维重建

以踝关节的生理解剖结构为理论依据,利用踝关节的CT图像作为二维数据源,通过医学图像处理软件Mimics建立踝关节的三维模型,然后使用3-matic对三维模型的网格进行优化,最后对优化前后的模型进行对比分析。结果发现经过优化后的踝关节三维模型在结构上与人体真实的踝关节结构并无明显的差异,精确程度满足要求,对于患者病情的分析及治疗方案的确立具有重要的指导意义。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近。 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性。 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C₃段扫描,获取二维图像。直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C₃节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C₃段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型。垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N•m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度。 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663 551个单元,178 247个节点。施加预载荷及1.5 N•m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符。从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大。上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小。对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C₂-C₃小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性。     

三维模型中踝关节中心定位的研究

目的　应用不同方法在三维重建模型上定位踝关节中心,并判断各方法的可行性,准确定位踝关节中心,进而为三维模拟下肢膝关节置换术提供形态学基础。 方法　对33例正常成人踝关节行CT扫描,数据导入三维重建软件Mimics,重建出踝关节三维立体模型,在逆向工程软件Geomagic Studio中分别采用距骨顶部中点（A点）、距骨顶部点云质心（B点）和内外踝间距中点（C点）3种方法对踝关节中心进行定位,并在冠状面上对三中心点之间的距离进行测量,应用统计软件SPSS对数据进行分析。 结果　成功建立了踝关节的三维立体模型,并用不同方法定位出踝关节中心。测量结果显示A点与B点之间的距离为(1.058±0.741)mm, B点与C点之间的距离为(1.684±1.283)mm, A点与C点之间的距离为(1.484±1.040)mm。且每个中心点之间的距离差异不具有显著性(P>0.05)。 结论　基于三维重建模型上的踝关节中心定位方法具有可行性,且与二维平面上的定位相比稳定性更高,其中距骨顶部点云质心作为踝关节中心较其他两种方法更简便易行。     

前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

基于深度学习融合算法的无标记点步态分析系统

目的 以有标记点三维运动捕捉系统(MoCap)为金标准,基于双向长短时记忆(bi-lateral long short term memory, BiLSTM)递归神经网络和线性回归算法构建深度学习融合模型,减小深度传感器的系统误差,从而提高深度传感器下肢运动学分析的准确性。方法 招募10名健康男性大学生进行步态分析,应用MoCap系统和Kinect V2传感器同时采集数据。通过Cleveland Clinic及Kinect逆运动学模型分别计算下肢关节角度。以MoCap系统为目标,Kinect系统得到的角度为输入构建数据集,分别用BiLSTM算法和线性回归算法构建学习模型,得到系统误差修正后的下肢关节角度。使用留一交叉验证法评估模型的性能。采用多重相关系数(coefficient of multiple correlations, CMC)及均方根误差(root mean square error, RMSE)表示下肢关节角度波形曲线相似程度以及平均误差。结果 BiLSTM网络比线性回归算法更能够处理高度非线性的回归问题,尤其是在髋关节内收/外展、髋关节内旋/外旋和踝关节趾屈/背屈角度...     

模拟正中咬合时的人颞下颌关节力

本文采用Ａｕｔｏ－ＣＡＤ软件及螺旋ＣＴ扫描技术与有限元应力分析方法相结合,考虑颞下颌关节的材料非线性及关节内接触问题等非线性特征,在活体基础上建立ＴＭＪ三维非线性有限元模型,以计算和分析正中咬合时关节内的应力分布和位移情况。建立