不同后倾角度对固定平台单髁膝关节置换的生物力学影响研究

发布时间：2020-11-17 03:32

　　 目的:本研究建立正常膝关节三维有限元模型,并通过验证和证实其准确性,作为之后膝关节生物力学研究的模型。再建立不同后倾角度的UKA模型,研究胫骨后倾角度对膝关节生物力学的的影响,以寻求合理的后倾角度。方法:获得1名左侧膝关节无疾病史的志愿者的CT及MRI检测数据,利用Mimics19.0软件、Asan有限元前处理软件、Abaqus 2016版软件建立正常和不同后倾角度的UKA三维有限元模型,再行有限元分析。结果:建立的膝关节三维有限元模型,主要结构包含骨、软骨、半月板和韧韧,计算载荷分布和主要应力,与文献研究结果相近,模型通过验证。对0°、3°、5°、7°、9°、11°后倾的UKA模型计算其胫骨皮质骨应力、外侧软骨应力、外侧半月板应力、前后交叉韧带应力、内外侧间室占比的研究,发现所有0°-7°后倾时胫骨后内侧皮质的应力无显著差异((P0.05),而9°和11°后倾可致胫骨后内侧皮质应力明显增高(P0.05),双侧的载荷占比、外侧间室软骨应力、外侧半月板应力、衬垫应力无显著差异(P0.05)。结论:通过验证的正常膝关节模型较为完整,可以用于对膝关节生物力学的影响研究。后倾角度对固定平台UKA膝关节的生物力学有很大的影响,合理的后倾角度为0°-7°,在此范围可以降低术后并发症及提高假体的生存率。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：R687.4
【部分图文】：

骨结构提取

南华大学学位论文6将以上获取的股骨、胫骨、半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内外侧副韧带等结构的STL格式重新导入Mimics19.0软件成功组件出完整的膝关节三维模型（如图1.2所示）。图1.2正常膝关节三维模型1.3.2网格划分和赋值网格划分：将Mimics软件导出的STL格式的文件导入到Ansa有限元前处理软件中，选择壳单元模块中的表面化处理（Tosurface）功能，生成几何模型，因为mimics导出的STL壳网格单元质量较差，需要重新在Ansa软件中划分高质量网格，对膝关节各部件逐一划分生成壳网格，网格单元为混合单元（多数四边形及少数三角形）。赋值：定义壳模型为实体模型，选择裂变功能，将模型划分成高质量的四面体网格模型。胫骨、股骨、半月板及韧带均认为是同性线弹性材料，同时对每种部件赋予对应材料参数（弹性模量及泊松比）表（1.1）。表1.12结构材料参数结构弹性模量（MPa）泊松比胫骨4184.60.3股骨3884.30.3腓骨4164.60.3韧带480.3交叉韧带900.3半月板590.3软骨50.3

材料与方法71.4正常膝关节有限元模型的验证1.4.1接触对设置选择实体表面，根据实际情况将紧密连接的接触面设定为绑定(tie)关系，也就是没有办法相对移动。同时考虑到关节腔内有关节液，摩擦力非常小，将各接触对都设置为无摩擦接触。1.4.2边界及其载荷边界条件：将股骨上表面耦合成一点，并将该点创建集合（set），将胫骨下表面完全固定，胫骨下表面仅约束竖直方向自由度。软骨及骨、各条韧带及骨、半月板及骨都认可为绑定关系。将此模型导出IPN格式，导入至Abqus2016中进行计算，网格模型如图所（图1.3）。图1.3正常膝关节网格模型设置的单元及节点数：本模型中单元共计301498个，各具体单元数及节点数如下表（标1.2）。表1.2各结构单元及节点数结构单元数目节点数目胫骨7266615817股骨8751818965交叉韧带6367515797半月板163504381软骨424925232内侧韧带54605232外侧韧带66422285腓骨69952218
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本文编号：2887044