全膝關節(jié)在不同運動狀態(tài)下的有限元仿真研究.pdf

1、膝關節(jié)是人全身最大、最復雜的關節(jié)，位居髖關節(jié)和踝關節(jié)之間，是下肢活動的樞紐。它的任何一個主要組成部分的損壞都會引起膝關節(jié)的反常運動，久之軟骨和半月板由于磨損、變性而形成骨性關節(jié)病，從而嚴重影響得病者的正?；顒?。包括膝關節(jié)骨關節(jié)病、髖關節(jié)骨關節(jié)病在內的各類骨關節(jié)病其發(fā)病率隨年齡的增長而不斷增高。據統(tǒng)計，50歲以上的人群中，50[％]患有骨關節(jié)病，65歲以上的人群中，90[％]的女性和80[％]的男性患有此病。骨關節(jié)疾病嚴重地影響了老年人的

2、生活質量，甚至對他們的生命構成了威脅；老年患者不僅飽嘗病痛的折磨，同時也給家庭和社會帶來許多負擔。目前，隨著經濟的發(fā)展，生活水平的日漸提高，骨性關節(jié)病也開始趨向低齡化，將來越來越多的人會受到骨性關節(jié)病的困擾。
　　 鑒于膝關節(jié)的重要性及相關疾病的危害性，人們對其解剖結構與相應的生物力學特性的研究也越來越深入和廣泛。通過對正常和病變膝關節(jié)的對比研究和分析，不但可以更好地闡明膝關節(jié)疾病的發(fā)生機制，而且還可以指導相關疾病的治療及康復。

3、但由于膝關節(jié)自身解剖結構的復雜性、組成材料性質的多樣性、運動形式以及各組成部分載荷分配情況的復雜性，因而人們目前還不能對膝關節(jié)的各種生物力學性質及行為做出準確的描述。
　　 經過將近四十年的發(fā)展，有限元方法已經成為目前國際上進行肌肉—骨骼系統(tǒng)計算力學分析的主要手段，但由于膝關節(jié)處所涉及的關節(jié)面、韌帶、肌肉眾多，建立完全的有限元模型由于過于復雜而不易研究。目前的研究主要集中在組成膝關節(jié)的骨骼和主要韌帶，但包括膝部各骨骼和主要韌帶的

4、三維有限元模型研究還較少。
　　 鑒于此，本文的主要工作是進行了下蹲和步行運動過程的拍攝，通過實驗得到了下蹲過程中人體的足底受力情況，確定了在下蹲過程中股四頭肌的力矩；建立包括膝部各骨骼和主要韌帶的三維有限元模型，通過有限元仿真方法，研究膝關節(jié)在不同運動的情況下(包括下蹲、步行等運動)，膝關節(jié)各關節(jié)及韌帶的應力分布。
　　 具體內容包括以下幾個方面：
　　 (1)建立簡化的股骨、脛骨及半月板的生物力學模型，初步估

5、算了股骨、脛骨軟骨關節(jié)面接觸時，接觸面上的接觸壓力和股骨、半月板接觸時的接觸壓力。并著重對軟組織的生物力學特性進行分析，給出了韌帶的材料特性、初始應變等數據。進行了下蹲和步行運動過程的拍攝，得到了運動過程中各關節(jié)角度的變化曲線；同時實驗測量了下蹲過程中人體的足底受力情況，確定了在下蹲過程中股四頭肌的力矩；
　　 (2)從生物力學角度，基于一名志愿者的膝部CT掃描圖像，建立了包括完整股骨、脛骨、腓骨、髕骨，及膝部各主要軟骨、韌帶的

6、三維有限元模型，通過與其它理論模型、實驗、有限元模型的結果進行比較分析，證實了該模型的合理性、有效性；
　　 (3)利用已建成膝部的三維有限元模型，計算并分析了雙腿站立、下蹲和步行運動作用下膝關節(jié)各部位和韌帶的應力分布，探討了載荷和運動耦合的情況對接觸壓力分布的影響。可以看出在0°～90°的屈膝運動中，隨著屈膝角度的增大，各軟骨和半月板上的接觸壓力峰值也隨之增大，相對于內側半月板，外側半月板峰值變化不大，且內側半月板的壓力值大于

7、外側半月板的。在步行運動中，ACL比其他韌帶的張力值大；
　　 (4)雙腿站立時各軟骨和半月板上的接觸壓力峰值最小，深度屈膝時，各接觸壓力峰值最大，單腿支撐時壓力峰值略大于腳跟著地狀態(tài)；
　　 綜上所述，本文建立了膝關節(jié)周圍所有完整骨骼、主要韌帶的三維有限元模型，引入髖、踝關節(jié)的運動形態(tài)學數據，從股骨頂端加載來研究膝部各關節(jié)面接觸力及韌帶的應力分布。通過與其他學者的研究數據比較，證實了該模型的合理性和有效性。本文的研究結