PCL斷裂對MCL、LCL及ACL生物力學(xué)影響的三維有限元分析.pdf

1、目的：收集正常人膝關(guān)節(jié)CT及MRI掃描圖像，利用三維重建及ANSYS等三維有限元軟件，建立正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。在此基礎(chǔ)上，模擬后交叉韌帶(posterior cruciate ligament，PCL)完全斷裂（Ⅲ損傷）的三維有限元模型，計(jì)算并分析正常膝關(guān)節(jié)模型和PCL完全斷裂模型中內(nèi)側(cè)副韌帶(Medial collateral ligament，MCL)、外側(cè)副韌帶(lateral collateral ligament，LC

2、L)和前交叉韌帶(Anterior cruciate ligament，ACL)的應(yīng)力分布及變化情況，從而全面了解PCL斷裂后對其他韌帶產(chǎn)生的影響，為PCL斷裂后恢復(fù)膝關(guān)節(jié)動態(tài)穩(wěn)定的重要性進(jìn)一步提供理論依據(jù)。
　　方法：⑴利用螺旋CT機(jī)及Siemens1.5T超導(dǎo)磁共振儀對正常男性志愿者的膝關(guān)節(jié)分別采集經(jīng)SCT掃描獲取的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像及膝關(guān)節(jié)的橫斷面、冠狀面及矢狀面質(zhì)子密度加權(quán)(PDWI)圖像及脂肪抑制的T2加權(quán)(T2WI)圖

3、像，并將其以Dicom格式保存到工作電腦中，再導(dǎo)入E-feature Biomedical Modeler軟件中獲取骨骼、韌帶、半月板、關(guān)節(jié)軟骨層的邊界。將取得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DIP文件，從而獲得每個(gè)層面邊界的三維空間坐標(biāo)，再對該模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，定義材料屬性，最終生成膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，再將其導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，對模型進(jìn)行生物力學(xué)分析。⑵在已建立的正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型上模擬正常膝關(guān)節(jié)屈曲0°、30°、60°時(shí)施加內(nèi)

4、外翻及內(nèi)外旋力矩，計(jì)算并記錄四條主要韌帶(PCL、LCL、ACL、MCL)的平均應(yīng)力值及等效應(yīng)力分布圖。⑶將已建立的正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型去除PCL，模擬PCL完全斷裂（Ⅲ度損傷），對PCL完全斷裂有限元模型按上述步驟進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算并記錄三條主要韌帶(LCL、ACL、MCL)的平均應(yīng)力值及等效應(yīng)力分布圖，再將其與正常人膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行比較。
　　結(jié)果：成功建立正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型及PCL完全斷裂膝關(guān)節(jié)有限元模型并進(jìn)行了

5、生物力學(xué)分析，結(jié)果顯示:①在20N·m的內(nèi)翻力矩作用下，PCL完全斷裂模型LCL在不同屈曲角度時(shí)的等效應(yīng)力值平均值（3.39MPa、12.41MPa、14.56MPa）較正常組(2.30MPa、11.22MPa、12.84MPa）明顯增大;②在8N·m外旋力矩作用下，PCL完全斷裂模型中LCL在不同屈曲角度時(shí)的等效應(yīng)力值平均值(1.34MPa、12.24MPa、12.56MPa)較正常組(0.22MPa、10.10MPa、10.42MP

6、a)明顯增大;③在20N·m的內(nèi)外翻力矩和8N·m內(nèi)外旋力矩作用下，PCL斷裂模型中ACL及MCL的等效應(yīng)力平均值與正常膝關(guān)節(jié)模型比較，差別很小。
　　結(jié)論：⑴根據(jù)正常膝關(guān)節(jié)CT及MRI的圖像，運(yùn)用E-featureBiomedical Modeler等三維有限元軟件成功建立了正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型及PCL完全斷裂膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，并進(jìn)行膝關(guān)節(jié)主要韌帶的生物力學(xué)分析。⑵三維有限元生物力學(xué)分析數(shù)據(jù)顯示PCL斷裂后LCL在膝關(guān)