膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析
发布时间：2021-09-18 11:04
目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁（OxfordⅢ）假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于...
【文章来源】：医用生物力学. 2020,35(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
膝关节无损模型和单髁置换模型
所建膝关节有限元无损模型包括股骨、胫骨、腓骨、半月板、股骨软骨、胫骨软骨、内外侧副韧带和前后交叉韧带，模拟人体双足负重，分析在1 kN载荷下半月板、股骨软骨和胫骨软骨的应力分布情况。通过将本文计算结果与前人研究结果对比可知:内外侧半月板接触应力分别为2.96、2.46 MPa，与文献[15-16]中在相同载荷下模拟结果的变化趋势相似;内外侧胫骨软骨接触应力分别为1.88、2.57 MPa，与文献[17]中胫骨软骨的结果和文献[15]中采用有限元分析获得的最大接触压力相近;股骨软骨接触应力为2.40 MPa，与文献[15,18]中的研究结果近似(见图2)。由于实验加载条件、材料属性以及个性化差异等原因导致研究结果之间存在差异，但该差异处于生理范围之内。2.2 单髁置换假体应力分布
由ACL断裂模型和正常模型在膝关节5种屈膝状态下的半月板衬垫应力分布可知，ACL断裂时，半月板衬垫的应力分布范围基本大于ACL正常组，最大应力在衬垫表面均有分布，且集中于衬垫内侧，由中央向四周扩散且逐渐变小，在衬垫与股骨假体接触处呈现最大应力。屈膝0°时，ACL断裂组从内侧壁开始出现应力集中;屈膝30°、60°和90°时，最大应力在衬垫表面和内侧壁均有分布，其中屈膝60°时集中区域最小;半月板衬垫与股骨假体末端在屈膝120°时近似于点接触，使得半月板衬垫应力分布由一点向周围扩散(见图3)。2.2.2 胫骨假体应力分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]单髁置换术后膝关节内外侧间室应力变化有限元分析[J]. 贾笛,李彦林,杨龄坚,蒙旭晗,何川. 中国运动医学杂志. 2017(10)
[2]活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型的建立[J]. 朱广铎,郭万首,程立明,刘朝晖,张启栋. 中国矫形外科杂志. 2015(21)
[3]三维有限元法分析膝关节内侧副韧带的生物力学功能[J]. 王海鹏,王友,容可,钟砚琳. 医用生物力学. 2012(01)
博士论文
[1]基于三维有限元方法探索ACL断裂后胫股关节轨迹异常对半月板和软骨应力分布的影响[D]. 陈凯宁.第三军医大学 2013
[2]高屈曲状态下膝关节生物力学研究[D]. 齐玮.中国人民解放军医学院 2013
[3]膝关节力学建模与屈曲运动生物力学特性研究[D]. 王建平.上海交通大学 2010
本文编号：3400021
【文章来源】：医用生物力学. 2020,35(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
膝关节无损模型和单髁置换模型
所建膝关节有限元无损模型包括股骨、胫骨、腓骨、半月板、股骨软骨、胫骨软骨、内外侧副韧带和前后交叉韧带，模拟人体双足负重，分析在1 kN载荷下半月板、股骨软骨和胫骨软骨的应力分布情况。通过将本文计算结果与前人研究结果对比可知:内外侧半月板接触应力分别为2.96、2.46 MPa，与文献[15-16]中在相同载荷下模拟结果的变化趋势相似;内外侧胫骨软骨接触应力分别为1.88、2.57 MPa，与文献[17]中胫骨软骨的结果和文献[15]中采用有限元分析获得的最大接触压力相近;股骨软骨接触应力为2.40 MPa，与文献[15,18]中的研究结果近似(见图2)。由于实验加载条件、材料属性以及个性化差异等原因导致研究结果之间存在差异，但该差异处于生理范围之内。2.2 单髁置换假体应力分布
由ACL断裂模型和正常模型在膝关节5种屈膝状态下的半月板衬垫应力分布可知，ACL断裂时，半月板衬垫的应力分布范围基本大于ACL正常组，最大应力在衬垫表面均有分布，且集中于衬垫内侧，由中央向四周扩散且逐渐变小，在衬垫与股骨假体接触处呈现最大应力。屈膝0°时，ACL断裂组从内侧壁开始出现应力集中;屈膝30°、60°和90°时，最大应力在衬垫表面和内侧壁均有分布，其中屈膝60°时集中区域最小;半月板衬垫与股骨假体末端在屈膝120°时近似于点接触，使得半月板衬垫应力分布由一点向周围扩散(见图3)。2.2.2 胫骨假体应力分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]单髁置换术后膝关节内外侧间室应力变化有限元分析[J]. 贾笛,李彦林,杨龄坚,蒙旭晗,何川. 中国运动医学杂志. 2017(10)
[2]活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型的建立[J]. 朱广铎,郭万首,程立明,刘朝晖,张启栋. 中国矫形外科杂志. 2015(21)
[3]三维有限元法分析膝关节内侧副韧带的生物力学功能[J]. 王海鹏,王友,容可,钟砚琳. 医用生物力学. 2012(01)
博士论文
[1]基于三维有限元方法探索ACL断裂后胫股关节轨迹异常对半月板和软骨应力分布的影响[D]. 陈凯宁.第三军医大学 2013
[2]高屈曲状态下膝关节生物力学研究[D]. 齐玮.中国人民解放军医学院 2013
[3]膝关节力学建模与屈曲运动生物力学特性研究[D]. 王建平.上海交通大学 2010
本文编号：3400021
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