膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶生物力學(xué)的有限元分析.pdf

1、目的:通過(guò)建立膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型(Finite element model，F(xiàn)EM)，分析膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶(Medial collateral ligment，MCL)淺層和深層的生物力學(xué)功能。
　　方法:選取組織完整的冰凍新鮮人體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本10側(cè)，解剖出MCL，測(cè)量并記錄膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶淺層(Superficial medial collateral ligment，SMCL)、內(nèi)側(cè)副韌帶深層(Deep medial col

2、lateral ligment，DMCL)厚度。選取一位健康男性志愿者，年齡27歲，通過(guò)X線檢查確認(rèn)右膝關(guān)節(jié)無(wú)病變。分別采用64排螺旋CT和3.0T MRI設(shè)備對(duì)該志愿者的右膝關(guān)節(jié)于伸直位進(jìn)行掃描。將掃描數(shù)據(jù)信息以DICOM格式導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)MIMICS14.0，分別對(duì)股骨中下段、脛骨中上段、腓骨中上段、髕骨以及前交叉韌帶(Anterior crueiate ligament，ACL)、后交叉韌帶(Posterior cru

3、eiate ligament，PCL)、內(nèi)側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶(Lateralcollateral ligament，LCL)、髕韌帶(Patellar ligament，PL)、半月板進(jìn)行三維重建，獲得膝關(guān)節(jié)骨組織、韌帶及半月板模型。將以上模型以STL格式導(dǎo)入到自動(dòng)化逆向工程軟件Geomagic Studio12.0中，對(duì)模型進(jìn)行裁剪、封閉、偏移、膨脹、布爾減運(yùn)算等處理，分別得到更為精細(xì)的模型文件，并按照內(nèi)側(cè)副韌帶淺深兩層的長(zhǎng)、寬、厚

4、解剖結(jié)構(gòu)，運(yùn)用裁剪、拉伸、布爾減運(yùn)算等功能將淺、深兩層分割開(kāi)，得到兩者的精細(xì)模型。將以上各精細(xì)模型文件再以STL格式導(dǎo)回MIMICS14.0軟件中，在此軟件3-matic模塊中進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分。建模成功后，將模型中的骨組織、韌帶及半月板以ANSYS前處理文件cdb格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對(duì)模型進(jìn)行組裝，并賦予各材料屬性。設(shè)定各韌帶起止點(diǎn)與骨之間、內(nèi)側(cè)副韌帶淺深兩層與半月板之間的接觸定義為綁定接觸(Bon

5、ded)，其他部位的接觸方式均定義為不分離接觸（No separation）。并重新對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各部分均采用五面體與六面體交互式網(wǎng)格劃分，共獲得節(jié)點(diǎn)877070個(gè)，單元354003個(gè)。約束股骨上端全部6個(gè)自由度，在模型上施加脛骨的前后向力、外翻及內(nèi)外旋力矩，分別觀察在MCL完整、SMCL缺失、DMCL缺失、MCL全部缺失時(shí)，脛骨的位移或偏轉(zhuǎn)角度以及內(nèi)側(cè)副韌帶淺層、深層的應(yīng)力大小和分布情況。
　　結(jié)果:
　　1、在13

6、4N前向力作用下，脛骨位移由MCL完整時(shí)的4.89mm變?yōu)镾MCL缺失后的5.17mm、DMCL缺失后的5.04mm、MCL全部缺失后的5.17mm。且ACL的應(yīng)力峰值最大，SMCL的應(yīng)力峰值較大，DMCL的應(yīng)力峰值較小。ACL的應(yīng)力峰值主要集中在股骨止點(diǎn)處，SMCL的應(yīng)力峰值也主要集中在股骨止點(diǎn)處，DMCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處。
　　2、在134N后向力作用下，脛骨位移由MCL完整時(shí)的4.98mm變?yōu)镾MCL缺失后的4.

7、99mm、DMCL缺失后的4.92mm、MCL全部缺失后的5.02mm。且PCL的應(yīng)力峰值最大，SMCL的應(yīng)力峰值較小，DMCL的應(yīng)力峰值很小。PCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處，SMCL的應(yīng)力峰值主要集中在股骨止點(diǎn)處，DMCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處。
　　3、在10N.m的外翻力矩作用下，脛骨外偏角度由MCL完整時(shí)的4.06°變?yōu)镾MCL缺失后的6.08°、MCL缺失后的4.86°、MCL全部缺失后的6.22°。且SMCL

8、的應(yīng)力峰值最大，DMCL的應(yīng)力峰值次之，ACL及PCL的應(yīng)力峰值較小。SMCL的應(yīng)力峰值主要集中在股骨止點(diǎn)處及前部，DMCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處。
　　4、在10N.m的外旋力矩作用下，脛骨外旋角度由MCL完整時(shí)的5.92°變?yōu)镾MCL缺失后的5.95°、DMCL缺失后的5.94°、MCL全部缺失后的6.10°。且SMCL的應(yīng)力峰值較大，ACL及PCL的應(yīng)力峰值相對(duì)較小，DMCL的應(yīng)力峰值很小。SMCL的應(yīng)力峰值主要集中在

9、股骨止點(diǎn)處及后部，DMCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處。
　　5、在10N.m的內(nèi)旋力矩作用下，脛骨內(nèi)旋角度由MCL完整時(shí)的6.64°變?yōu)镾MCL缺失后的7.48°、DMCL缺失后的6.72°、MCL全部缺失后的7.57°。且SMCL的應(yīng)力峰值較大，ACL及PCL的應(yīng)力峰值相對(duì)較小，DMCL的應(yīng)力峰值很小。SMCL的應(yīng)力峰值主要集中在股骨止點(diǎn)處，DMCL的應(yīng)力峰值主要集中在起止點(diǎn)處。
　　結(jié)論:
　　1、利用健康人體膝

10、關(guān)節(jié)CT、MRI影像數(shù)據(jù)及MIMICS、Geomagic和ANSYS等軟件可以建立人體膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，并保持膝關(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)性。
　　2、通過(guò)建立的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，模擬膝關(guān)節(jié)前后平移、外翻和內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)，可以有效地分析膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶的生物力學(xué)功能。并可以得知:在膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)，膝MCL的主要作用是抵抗膝關(guān)節(jié)外翻運(yùn)動(dòng)，并對(duì)脛骨向前移位、膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)也有限制作用，而在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶結(jié)構(gòu)中起主要作用的是SMCL