髕股關(guān)節(jié)三維解剖形態(tài)建模及其性能研究.pdf

1、全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后，會(huì)因?yàn)轶x骨假體放置不當(dāng)、支持韌帶力量不平衡、髕骨截骨面不正確、置換假體本身的設(shè)計(jì)缺陷或是選擇不當(dāng)?shù)仍虍a(chǎn)生髕股關(guān)節(jié)的各種并發(fā)癥。髕骨周圍若有癥狀或并發(fā)癥?？煞磻?yīng)出手術(shù)技術(shù)、元件設(shè)計(jì)或兩者間的潛在問(wèn)題。唯有了解導(dǎo)致這些癥狀或并發(fā)癥的原因并加以改善，才能使人工膝關(guān)節(jié)置換獲得更佳的效果。目前對(duì)髕股關(guān)節(jié)的力學(xué)研究大多采用實(shí)驗(yàn)手段，已有的模型研究工作也多集中在矢狀面上的二維模型或是只包含股脛關(guān)節(jié)部分的膝關(guān)節(jié)模型的研究上，無(wú)法描述

2、具有三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的完整膝關(guān)節(jié)的一些重要特性。為進(jìn)一步對(duì)髕股關(guān)節(jié)性能進(jìn)行研究，本文做了以下幾點(diǎn)工作： 1、構(gòu)建出完整膝關(guān)節(jié)三維物理(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型。采用一位健康志愿者的膝關(guān)節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)醫(yī)學(xué)斷層圖像處理軟件得到骨骼輪廓曲線，并采用商用CAD軟件重建包含股骨、脛骨及髕骨三部分的人體膝關(guān)節(jié)的骨骼三維實(shí)體模型。采用MRI(核磁共振成像)圖像作為參考模板，對(duì)比CT圖像選取肌肉輪廓控制點(diǎn)，提取肌肉輪廓，連接各個(gè)輪廓曲線質(zhì)心并擬合

3、為樣條曲線，沿該曲線的兩個(gè)端點(diǎn)的切線方向延長(zhǎng)該曲線，并使之與骨骼曲面相交，求得曲線與骨骼曲面的交點(diǎn)即該肌肉的起點(diǎn)和終點(diǎn)，從而構(gòu)建股四頭肌直線模型。將股脛關(guān)節(jié)間韌帶及其它軟組織簡(jiǎn)化為十二條非線性彈性纖維束，在骨骼模型基礎(chǔ)上根據(jù)解剖學(xué)的知識(shí)，找到各韌帶在骨組織上的附著標(biāo)志點(diǎn)，將各纖維束韌帶組裝在骨組織實(shí)體模型上。 2、在所構(gòu)建的膝關(guān)節(jié)物理模型上，依據(jù)股骨、脛骨、髕骨以及髕股關(guān)節(jié)和股脛關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系建立方程式，建立了一個(gè)包含髕

4、骨、股骨及脛骨的膝關(guān)節(jié)骨骼—肌肉—韌帶三維動(dòng)力學(xué)模型，并以股四頭肌力為輸入變量，模擬膝關(guān)節(jié)伸膝復(fù)健運(yùn)動(dòng)，通過(guò)模型計(jì)算膝關(guān)節(jié)的部分運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)參數(shù)，與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，該模型有效。 3、模擬并計(jì)算TKA(全膝關(guān)節(jié)置換術(shù))后，部分假體位置參數(shù)的變化對(duì)髕股關(guān)節(jié)性能的影響。在所建立的膝關(guān)節(jié)三維模型基礎(chǔ)上，將按照人工關(guān)節(jié)置換臨床要求，選擇符合模型尺寸要求的假體，對(duì)構(gòu)建的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了手術(shù)的仿真切除和假體的模擬安裝，并模擬全膝

5、關(guān)節(jié)置換術(shù)后，部分假體位置參數(shù)的變化。計(jì)算這些參數(shù)變化后，髕股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)參數(shù)的變化，以總結(jié)出假體位置參數(shù)變化對(duì)髕股關(guān)節(jié)性能影響的規(guī)律。結(jié)果表明，髕骨厚度增大，髕骨內(nèi)傾，股骨假體外旋，股骨假體前傾都會(huì)使與髕股關(guān)節(jié)并發(fā)癥密切相關(guān)的髕股接觸壓力增大。而髕骨厚度增大，髕骨內(nèi)傾，股骨假體內(nèi)旋，股骨假體前傾都會(huì)使表現(xiàn)髕骨力傳遞效率的髕韌帶力與股四頭肌肌力的比值增大。而髕骨內(nèi)傾、股骨假體內(nèi)旋以及股骨假體前傾會(huì)使與髕骨脫位半脫位密切相關(guān)的髕骨外側(cè)

6、位移增大。 4、計(jì)算步態(tài)周期中天然髕股關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)參數(shù)變化。采用Hires運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，根據(jù)人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)和特殊標(biāo)記點(diǎn)(Marker)分布的算法，進(jìn)行了人體下肢步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)，將運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為人體下肢骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)數(shù)據(jù)。并以文獻(xiàn)中下肢肌肉力的EMG(肌電信號(hào))設(shè)定股四頭肌力，計(jì)算步態(tài)過(guò)程中髕股關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)參數(shù)變化。計(jì)算結(jié)果表明，在下肢分別處于全足放平、站立中相以及擺動(dòng)減速的階段，髕骨有較大的外側(cè)位移，也就是

7、步態(tài)中這些時(shí)段較易發(fā)生髕骨外脫位現(xiàn)象。在整個(gè)支撐相，由于該下肢支撐身體重量，髕股關(guān)節(jié)也出現(xiàn)較高接觸壓力。而當(dāng)足尖離地后，即進(jìn)入擺動(dòng)相后，髕股關(guān)節(jié)接觸壓力迅速減小。髕韌帶力也有類似的變化趨勢(shì)。在步態(tài)周期的10﹪附近，髕股關(guān)節(jié)接觸壓力及髕韌帶力都出現(xiàn)了一個(gè)最大值，此時(shí)人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為全足放平，足著力點(diǎn)由足跟向足尖轉(zhuǎn)移。亦即這個(gè)階段，髕股關(guān)節(jié)及髕韌帶最易出現(xiàn)損傷。 在國(guó)內(nèi)外對(duì)膝關(guān)節(jié)的大量研究工作中，對(duì)髕股關(guān)節(jié)部分的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)