切斷膝關(guān)節(jié)后外側(cè)角對(duì)后交叉韌帶生物力學(xué)影響的有限元分析及驗(yàn)證.pdf

1、研究背景:后外側(cè)角是膝關(guān)節(jié)后外方重要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，研究表明后外側(cè)角在維持膝關(guān)節(jié)外旋、內(nèi)翻以及脛骨近端后向穩(wěn)定方面都有重要作用。雖然后外側(cè)角單獨(dú)損傷在膝關(guān)節(jié)韌帶損傷中所占比例僅2%，但后外側(cè)角損傷通常為伴隨損傷，研究表明有60%的后交叉韌帶損傷伴隨后外側(cè)角的損傷。復(fù)合損傷后如果忽略其診斷和修復(fù)，還可導(dǎo)致交叉韌帶重建手術(shù)失敗。
　　 近年，許多學(xué)者對(duì)膝關(guān)節(jié)后外側(cè)角生物力學(xué)展開了深入研究，但均通過尸體研究進(jìn)行，而且尸體研究在進(jìn)行后交叉韌

2、帶損傷或重建的參數(shù)研究方面也有其局限性。經(jīng)驗(yàn)證的有限元模型能獲得許多尸體研究所難以獲得的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)有助于我們更好地理解交叉韌帶重建失效的發(fā)生機(jī)制以及幫助我們?cè)谏鲜龊喜p傷發(fā)生后制定更為合理的手術(shù)方案。
　　 查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，目前尚未見包含后外側(cè)角結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)有限元模型及后外側(cè)角損傷對(duì)后交叉韌帶應(yīng)力影響的報(bào)道,本實(shí)驗(yàn)旨在研究建立具有較高生物逼真度且包含真實(shí)后外側(cè)角幾何結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)有限元模型的可行性，模型有效性通過與相關(guān)尸體實(shí)

3、驗(yàn)研究數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，并通過對(duì)模型施加134N后移載荷、5N.m外旋及內(nèi)翻載荷計(jì)算膝關(guān)節(jié)在中立位0°、屈膝30°、60°及90°度時(shí)后交叉韌帶承受的應(yīng)力及分布。
　　 目的:
　　 1、建立具有良好生物逼真度的包含后外側(cè)角真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)有限元模型，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型有效性。
　　 2、運(yùn)用已驗(yàn)證的擁有較好生物逼真度的膝關(guān)節(jié)有限元模型探討后外側(cè)角完全損傷對(duì)后交叉韌帶應(yīng)力的影響，計(jì)算后外側(cè)角完全損傷前后后

4、交叉韌帶承受的應(yīng)力及其分布情況。
　　 材料和方法：對(duì)健康成年志愿者（男，25歲）左膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT和MRI掃描，將CT和MRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10.0軟件，并在此基礎(chǔ)上建立膝關(guān)節(jié)的幾何模型。將具有幾何數(shù)據(jù)的IGES文件導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh中，并劃分有限元網(wǎng)格。在相關(guān)尸體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上定義材料屬性、載荷、邊界條件等，并在Ls-dyna軟件中計(jì)算膝關(guān)節(jié)在中立位0°，屈膝30°，60°和90°時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。在驗(yàn)證模

5、型有效性后，利用該模型進(jìn)一步計(jì)算后外側(cè)角完全損傷前后后交叉韌帶承受的應(yīng)力及分布。
　　 研究結(jié)果:
　　 1．成功地建立了具有后外側(cè)角結(jié)構(gòu)的三維非線性有限元模型,整個(gè)模型由4278個(gè)單元、4193個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，模型在各種設(shè)定工況條件下的輸出結(jié)果與尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的可比性。
　　 2.完全切斷后外側(cè)角后，對(duì)脛骨施以134N后移力，后交叉韌帶承受的應(yīng)力在所有屈膝角度均有增大，在中立位0°時(shí)增大最明顯，增幅為24.9

6、MPa；應(yīng)力分布最集中的部位較切斷前無明顯變化。
　　 3.切斷后外側(cè)角后在5Nm外旋力矩載荷下，后交叉韌帶承受的應(yīng)力在中立位0°和屈膝60°均有增大，在屈膝30°時(shí)增幅最大，增幅為22.6MPa，屈膝90°時(shí)有所減?。磺?0°和90°時(shí)后交叉韌帶應(yīng)力分布最集中的部位有明顯變化，均位于實(shí)質(zhì)部。
　　 4.切斷后外側(cè)角后，對(duì)脛骨施以5Nm內(nèi)翻力矩,后交叉韌帶承受的應(yīng)力在所有屈膝角度均有明顯增加，在中立位0°時(shí)增幅最大，增

7、幅為22.2MPa；后交叉韌帶應(yīng)力分布最集中的部位在中立位0°和30°時(shí)有明顯變化，分別位于股骨止點(diǎn)附近和股骨、脛骨止點(diǎn)附近及實(shí)質(zhì)部。
　　 研究結(jié)論:
　　 1.我們成功地建立了包含后外側(cè)角的膝關(guān)節(jié)有限元模型，并驗(yàn)證了其有效性，可進(jìn)一步用于相關(guān)的生物力學(xué)分析研究。
　　 2.切斷后外側(cè)角后，在后移、外旋、內(nèi)翻載荷下后交叉韌帶承受的應(yīng)力在接近伸膝位時(shí)均有顯著增加。3.載荷的類型、屈膝角度、后外側(cè)角的完整性等因素均