基于完整膝关节模型站立和骑行时关节软骨相关力学特征研究

发布时间：2017-04-28 23:03

  本文关键词：基于完整膝关节模型站立和骑行时关节软骨相关力学特征研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：膝关节是人体下肢运动的枢纽,也是人体的一个重要负重关节,具有运动量大的特点,这一特征导致膝关节成为临床疾病的好发部位。一旦膝关节病变,将严重影响人们的日常生活。研究表明,骨关节炎的产生与膝关节的力学环境息息相关,所以有必要对不同步态下的膝关节力学状态以及病变后膝关节的力学特性进行深入研究。本文选取站立(双腿站立和单腿站立)状态和骑行时三个位置(屈曲60°、屈曲80°和屈曲100°),考察完整膝关节以及软骨损伤后的膝关节在相应状态的生物力学特性,并进行对比,以期为膝关节疾病的预防以及临床治疗提供理论参考。本课题应用有限元技术对膝关节生物力学特性进行考察。首先,基于CT扫描技术,结合医学影像处理软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio、三维绘图软件Pro-e建立完整的膝关节实体模型,包括股骨远端、胫骨近端、髌骨、腓骨以及与上述各骨结构对应的软骨,半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带以及髌腱。然后,选用有限元分析软件Abaqus建立完整膝关节有限元模型以及缺损直径为8mm软骨损伤的膝关节有限元模型。在隐式静态模块,给有限元模型施加边界条件和生理载荷,模拟和计算站立时膝关节的力学特性并进行分析;在显式动态模块,给有限元模型施加膝关节屈曲时胫骨以及髌骨相对股骨发生的位移边界条件以及骑行时膝关节的关节载荷,模拟和计算骑行时三个屈曲相位处膝关节的力学特性并进行分析。结果显示,与双腿站立相比,单腿站立时膝关节软骨及半月板的应力约增加一倍;当软骨发生8mm损伤时,其Von-mises应力值会增加,其中单腿站立时缺损股骨软骨的应力值增幅更高,为36.74%,胫骨软骨应力增幅均约为87%;不同站姿时,膝关节的软骨及半月板的应力分布无明显差异,无明显应力集中现象。骑行三个相位处,屈曲角度越大,股骨软骨上的应力值越大,自屈曲60°至屈曲100°,股骨软骨的最大Von-mises应力增幅达71.25%;屈曲角度较大时,胫股关节上软骨的应力分布更倾向膝关节内后侧,髌股关节的应力更倾向于上侧,这种现象的出现可能与关节在屈曲过程中骨组织之间的相对运动密切相关。另一方面,本文分析了当股骨内侧髁软骨发生损伤时,膝关节在上述三个相位处的力学特性。发现与健康软骨相比,发生缺损的股骨软骨在三个屈曲位的应力值更大,且应力分布发生一定的变化。综上分析,单腿站立比双腿站立产生更大的应力,骑行时大角度屈曲位处软骨应力较大,软骨损伤后易导致应力增加。所以,日常运动时应注意膝关节的保护,一旦关节软骨发生损伤,应该积极及时治疗。
【关键词】：膝关节 站立 骑行 有限元分析 力学特性
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.01;R684.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 膝关节生物力学特性研究的意义10
• 1.2 人体膝关节的研究现状10-15
• 1.2.1 自然人体膝关节研究现状10-14
• 1.2.2 软骨缺损人体膝关节研究现状14-15
• 1.3 本文研究内容与主要特点15-17
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 主要特点16-17
• 第二章 人体膝关节解剖结构及运动17-25
• 2.1 膝关节解剖结构17-20
• 2.1.1 骨组织的结构和功能18
• 2.1.2 软骨及半月板的结构和功能18-20
• 2.1.3 韧带及肌腱的结构和功能20
• 2.2 膝关节运动及受力20-22
• 2.2.1 膝关节运动20-21
• 2.2.2 膝关节受力21-22
• 2.3 膝关节运动坐标系22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 人体膝关节几何及有限元模型建立25-36
• 3.1 影像数据采集25-26
• 3.2 Mimics成型26-28
• 3.2.1 Mimics软件简介26
• 3.2.2 膝关节几何模型的建立26-28
• 3.3 GEOMAGIC优化28-30
• 3.3.1 逆向工程概述28-29
• 3.3.2 膝关节几何模型优化29-30
• 3.3.3 人体膝关节几何模型30
• 3.4 Pro-e模型实体化30-31
• 3.5 膝关节有限元模型的建立31-35
• 3.5.1 有限元法概述31-32
• 3.5.2 ABAQUS软件简介32
• 3.5.3 完整人体膝关节有限元模型的建立32-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 站立时软骨完整与软骨缺损人体膝关节力学状态分析36-46
• 4.1 站立边界条件的设定36
• 4.2 完整膝关节生理载荷作用下仿真结果及分析36-38
• 4.3 缺损软骨模型的建立38-39
• 4.4 缺损膝关节生理载荷作用下仿真结果及分析39-45
• 4.4.1 股骨软骨内侧髁缺损40-41
• 4.4.2 胫骨平台软骨外侧髁缺损41-42
• 4.4.3 股骨软骨外侧髁缺损42-43
• 4.4.4 胫骨平台软骨内侧髁缺损43-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第五章 骑行时软骨完整与软骨缺损人体膝关节力学状态分析46-54
• 5.1 骑行时膝关节的关节力46-47
• 5.2 膝关节运动坐标系的设定47-48
• 5.3 骑行时边界条件的设定48-49
• 5.4 完整膝关节骑行时仿真结果与分析49-51
• 5.5 软骨缺损膝关节骑行时仿真结果与分析51-53
• 5.6 本章小结53-54
• 第六章 总结与展望54-56
• 6.1 全文总结54-55
• 6.2 展望55-56
• 参考文献56-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61-62

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