全膝關(guān)節(jié)力學(xué)行為的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、膝關(guān)節(jié)處在人體髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)之間，是下肢活動的主要關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)的發(fā)病率隨著年齡的增長不斷提高?，F(xiàn)在骨關(guān)節(jié)病開始呈低齡化趨勢，在將來會有更多的人受到關(guān)節(jié)病的困惱。骨關(guān)節(jié)病不僅影響人們的運動和生活質(zhì)量而且在一定程度上威脅到高齡患者的生命。研究膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性對于預(yù)防和治療關(guān)節(jié)病以及膝關(guān)節(jié)運動性損傷都有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文基于膝關(guān)節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)結(jié)合，三維重建軟件 Mimics、逆向工程軟件Geomagic Studio以及有限元軟

2、件ABAQUS，重建出包括完整脛骨、股骨、髕骨、腓骨、半月板、關(guān)節(jié)軟骨以及主要關(guān)節(jié)韌帶在內(nèi)的全膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。利用本文所建立的膝關(guān)節(jié)模型，計算并分析了生理載荷下膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性以及不同彎曲角度對膝關(guān)節(jié)力學(xué)行為的影響。結(jié)果顯示，內(nèi)側(cè)軟骨和內(nèi)側(cè)半月板所受應(yīng)力大于外側(cè)；半月板內(nèi)緣受力大于外緣受力，內(nèi)緣容易被磨損。膝關(guān)節(jié)中半月板磨損或缺失會導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，造成關(guān)節(jié)疾病的惡化。隨著載荷的增加，關(guān)節(jié)軟骨和半月板的應(yīng)力隨之增加。膝關(guān)節(jié)從0°到

3、90°的彎曲過程中，隨著彎曲角度的增加，軟骨和半月板上的應(yīng)力隨之增加。0°時所受應(yīng)力最小，90°時所受應(yīng)力最大。膝關(guān)節(jié)從0°彎曲到40°時，軟骨和半月板的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)，從40°到90°的彎曲過程中，軟骨和半月板上的最大應(yīng)力位置由內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。在整個彎曲過程中，應(yīng)力值從大到小的順序依次為，半月板，脛骨軟骨和股骨軟骨。通過有無韌帶模型的比較發(fā)現(xiàn)包括韌帶的模型保證了膝關(guān)節(jié)在冠狀面、矢狀面以及橫斷面內(nèi)的自由度，使模型與真實膝關(guān)節(jié)更為接

4、近。
　　為了驗證數(shù)值計算結(jié)果，作者制作了人工股骨，脛骨，腓骨和髕骨組合模型，對應(yīng)人工骨結(jié)構(gòu)建立人工骨有限元模型，進行壓縮加載分析，得到關(guān)節(jié)應(yīng)變分布規(guī)律；針對數(shù)值模擬結(jié)果進行實驗方案的設(shè)計，采用電測方法進行人工骨膝關(guān)節(jié)壓縮實驗，得到人工骨膝關(guān)節(jié)應(yīng)變的變化規(guī)律。將電測實驗的應(yīng)變結(jié)果與數(shù)值模擬的應(yīng)變結(jié)果進行對比分析，解釋膝關(guān)節(jié)在壓縮載荷下的應(yīng)變變化規(guī)律，說明數(shù)值模擬的有效性和適用性，同時可以證明本文建立膝關(guān)節(jié)方法的可行性。本文從數(shù)值模