膝关节股骨髁软骨缺损的临床和三维有限元仿真研究

发布时间：2017-04-05 15:11

  本文关键词：膝关节股骨髁软骨缺损的临床和三维有限元仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的应用回顾性分析方法,研究临床上膝关节软骨、半月板的损伤部位、面积、程度及其发生、发展的一般规律,为膝关节软骨损伤患者的诊治提供临床数据；探讨运用MRI二维图像及MIMICS软件建立成人膝关节软骨三维数字化模型的真实性及可靠性；应用有限元分析软件建立正常成人膝关节股骨内、外髁软骨发生不同缺损(0、6、8、10、12、14、16、18、20mm)的三维有限元模型,对其进行生物力学分析,探讨膝关节股骨内、外髁软骨发生不同缺损前后周围关节软骨及半月板应力的变化趋势,为膝关节股骨髁软骨缺损患者提供生物力学数据。方法1.选取膝关节软骨损伤病例进行临床回顾性研究,分析膝关节软骨、半月板的损伤部位、面积、程度及其发生、发展的一般规律。2.选取10例成人尸体膝关节标本进行磁共振扫描,获得膝关节软骨的二维图像资料,将其导入医学有限元仿真软件Mimics 14.11进行三维重建,建立膝关节软骨的三维模型(模型组)；利用医学有限元仿真软件Mimics14.11自带测量工具测量,分别测量股骨及胫骨所设定各点的软骨厚度。同样的方法对10例成人尸体膝关节标本进行解剖,测量相同区域膝关节软骨厚度(标本组)。对标本组和模型组所测数据进行统计分析；探讨运用MRI二维图像及MIMICS软件建立正常成人膝关节软骨三维数字化模型的真实性及可靠性。3.选取正常成人10例建立三维数字有限元模型,在Abaques软件中将己划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载载荷,进行有限元结构非线性计算,首先观察正常膝关节软骨半月板在载荷条件下的应力空间分布,然后观察股骨内、外侧髁软骨发生不同缺损(6、8、10、12、14、16、18、20mm)后半月板、周边软骨在载荷条件下的应力空间分布,分析股骨内、外髁软骨缺损时发生在软骨及半月板上的应力改变情况。结果(1)246例膝关节软骨损伤病人中,发病率最高的部位在股骨内髁,其次为内侧胫骨平台；Ⅲ、Ⅳ级关节软骨损伤发病率最高,其面积主要分布于2～6cm2；TFI越长软骨损伤面积越大。(2)在246例膝关节软骨损伤病人中有149例患者合并半月板损伤,其发病率60.5%,其中最常见的类型为内侧半月板损伤；在伤后早期TFI6周时,外侧半月板发病率最高,随着TFI的延长,外侧半月板发病率基本稳定而内侧半月板发病率逐渐增加,据此我们推测外侧半月板的损伤可能主要是由于受伤时的直接暴力造成,而内侧半月板为继发性损伤。(3)随着TFI延长,按6周、3月、6月、12月、2年五个节点进行分类统计,统计学分析结果表明,在每一个节点前后,软骨缺损的面积及半月板的损伤发病情况均具有统计学差异(p0.05),而且TFI越长,Ⅲ级、Ⅳ级关节软骨损伤面积就越大,据此我们推测在膝关节软骨缺损后,为避免继发性半月板和软骨损伤面积的进一步增大,应尽早进行手术干预。(4)尸体标本测量与三维模型测量关节软骨的厚度结果统计学上无差异(P0.05),验证了三维有限元模型的真实性及可靠性。(5)应用三维有限元分析软件,成功定义了模型的材料属性、边界条件及载荷的引入,并得出了膝关节内、外侧髁软骨发生不同直径(0毫米、6毫米、8毫米、10毫米、12毫米、14毫米、16毫米、18毫米、20毫米)缺损时关节软骨及半月板的应力云图以及其应力数据,经统计分析得到股骨内髁直径10毫米(面积0.78cm2)缺损及股骨外髁直径12毫米(面积1.13cm2)缺损是进行软骨修复手术干预的最小直径。结论1.通过临床上外伤致膝关节软骨损伤病例进行回顾性研究,在外伤致关节软骨损伤患者中股骨内侧髁软骨缺损发病率最高。2.随着TFI延长,膝关节软骨缺损可继发性引起半月板损伤及软骨损伤面积继续增大。所以为避免继发性半月板和软骨损伤,对软骨损伤的病例应尽早进行软骨修复手术治疗。3.利用MRI采集获得的正常成人的膝关节软骨二维图像数据可建立真实可靠的三维数字化模型,该模型可用于有限元生物力学研究,可用于各种工况的有限元分析及作为今后深入研究的原始模型。4.应用三维有限元法通过分析计算得出了在膝关节内、外侧髁的软骨发生不同直径缺损的情况下膝关节软骨及半月板的应力变化趋势,获取了膝关节软骨生物力学的有益资料。所获得的计算结果显示,当股骨内髁软骨出现10毫米(面积0.78cm2)缺损及股骨外髁12毫米(面积1.13cm2)缺损时关节软骨及半月板上的应力较无缺损时有显著性增大,该结果较好的证明了临床研究结论,并为临床上软骨损伤修复手术决策提供良好的实验依据。
【关键词】：MRI 三维重建 膝关节 关节软骨 三维有限元 生物力学 软骨移植
【学位授予单位】：昆明医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R684
【目录】：

• 中英文缩略语表5-6
• 中文摘要6-9
• Abstract9-13
• 前言13-16
• 参考文献15-16
• 第一部分 膝关节软骨损伤的临床回顾性研究16-41
• 1 引言16-17
• 2 材料和方法17-22
• 3 结果22-33
• 4 讨论33-38
• 5 结论38-39
• 参考文献39-41
• 第二部分 基于MRI构建全膝关节软骨三维数字化模型及真实性研究41-63
• 1 引言41-42
• 2 材料和方法42-53
• 3 结果53-55
• 4 讨论55-59
• 5 结论59-60
• 参考文献60-63
• 第三部分 膝关节股骨髁软骨不同缺损面积对半月板、周边软骨应力影响的三维有限元分析63-91
• 1 引言63-65
• 2 材料和方法65-69
• 3 结果69-80
• 4 讨论80-86
• 5 结论86-87
• 参考文献87-91
• 全文总结91-92
• 文献综述92-99
• 参考文献96-99
• 研究生期间发表的论文及参与课题情况99-100
• 致谢100

【参考文献】

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  本文关键词：膝关节股骨髁软骨缺损的临床和三维有限元仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：287214