基于完整膝關(guān)節(jié)模型站立和騎行時(shí)關(guān)節(jié)軟骨相關(guān)力學(xué)特征研究.pdf

1、膝關(guān)節(jié)是人體下肢運(yùn)動(dòng)的樞紐，也是人體的一個(gè)重要負(fù)重關(guān)節(jié)，具有運(yùn)動(dòng)量大的特點(diǎn)，這一特征導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)成為臨床疾病的好發(fā)部位。一旦膝關(guān)節(jié)病變，將嚴(yán)重影響人們的日常生活。研究表明，骨關(guān)節(jié)炎的產(chǎn)生與膝關(guān)節(jié)的力學(xué)環(huán)境息息相關(guān)，所以有必要對(duì)不同步態(tài)下的膝關(guān)節(jié)力學(xué)狀態(tài)以及病變后膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。本文選取站立（雙腿站立和單腿站立）狀態(tài)和騎行時(shí)三個(gè)位置（屈曲60°、屈曲80°和屈曲100°），考察完整膝關(guān)節(jié)以及軟骨損傷后的膝關(guān)節(jié)在相應(yīng)狀態(tài)的生物力

2、學(xué)特性，并進(jìn)行對(duì)比，以期為膝關(guān)節(jié)疾病的預(yù)防以及臨床治療提供理論參考。
　　本課題應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性進(jìn)行考察。首先，基于CT掃描技術(shù)，結(jié)合醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics、逆向工程軟件Geomagic Studio、三維繪圖軟件Pro-e建立完整的膝關(guān)節(jié)實(shí)體模型，包括股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端、髕骨、腓骨以及與上述各骨結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的軟骨，半月板、前后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶以及髕腱。然后，選用有限元分析軟件Abaqus建立完整膝關(guān)節(jié)有

3、限元模型以及缺損直徑為8mm軟骨損傷的膝關(guān)節(jié)有限元模型。在隱式靜態(tài)模塊，給有限元模型施加邊界條件和生理載荷，模擬和計(jì)算站立時(shí)膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性并進(jìn)行分析；在顯式動(dòng)態(tài)模塊，給有限元模型施加膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)脛骨以及髕骨相對(duì)股骨發(fā)生的位移邊界條件以及騎行時(shí)膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)載荷，模擬和計(jì)算騎行時(shí)三個(gè)屈曲相位處膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性并進(jìn)行分析。
　　結(jié)果顯示，與雙腿站立相比，單腿站立時(shí)膝關(guān)節(jié)軟骨及半月板的應(yīng)力約增加一倍；當(dāng)軟骨發(fā)生8mm損傷時(shí)，其Von-m

4、ises應(yīng)力值會(huì)增加，其中單腿站立時(shí)缺損股骨軟骨的應(yīng)力值增幅更高，為36.74％，脛骨軟骨應(yīng)力增幅均約為87%；不同站姿時(shí)，膝關(guān)節(jié)的軟骨及半月板的應(yīng)力分布無(wú)明顯差異，無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。騎行三個(gè)相位處，屈曲角度越大，股骨軟骨上的應(yīng)力值越大，自屈曲60°至屈曲100°，股骨軟骨的最大Von-mises應(yīng)力增幅達(dá)71.25%；屈曲角度較大時(shí)，脛股關(guān)節(jié)上軟骨的應(yīng)力分布更傾向膝關(guān)節(jié)內(nèi)后側(cè)，髕股關(guān)節(jié)的應(yīng)力更傾向于上側(cè)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與關(guān)節(jié)在屈