切斷膝關節(jié)后外側角對后交叉韌帶生物力學影響的有限元分析及驗證.pdf

1、研究背景:后外側角是膝關節(jié)后外方重要的穩(wěn)定結構，研究表明后外側角在維持膝關節(jié)外旋、內翻以及脛骨近端后向穩(wěn)定方面都有重要作用。雖然后外側角單獨損傷在膝關節(jié)韌帶損傷中所占比例僅2%，但后外側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角的損傷。復合損傷后如果忽略其診斷和修復，還可導致交叉韌帶重建手術失敗。
　　 近年，許多學者對膝關節(jié)后外側角生物力學展開了深入研究，但均通過尸體研究進行，而且尸體研究在進行后交叉韌

2、帶損傷或重建的參數研究方面也有其局限性。經驗證的有限元模型能獲得許多尸體研究所難以獲得的數據，而這些數據有助于我們更好地理解交叉韌帶重建失效的發(fā)生機制以及幫助我們在上述合并損傷發(fā)生后制定更為合理的手術方案。
　　 查閱國內外文獻，目前尚未見包含后外側角結構的膝關節(jié)有限元模型及后外側角損傷對后交叉韌帶應力影響的報道,本實驗旨在研究建立具有較高生物逼真度且包含真實后外側角幾何結構的膝關節(jié)有限元模型的可行性，模型有效性通過與相關尸體實

3、驗研究數據對比驗證，并通過對模型施加134N后移載荷、5N.m外旋及內翻載荷計算膝關節(jié)在中立位0°、屈膝30°、60°及90°度時后交叉韌帶承受的應力及分布。
　　 目的:
　　 1、建立具有良好生物逼真度的包含后外側角真實幾何結構的膝關節(jié)有限元模型，并通過相關實驗數據驗證模型有效性。
　　 2、運用已驗證的擁有較好生物逼真度的膝關節(jié)有限元模型探討后外側角完全損傷對后交叉韌帶應力的影響，計算后外側角完全損傷前后后

4、交叉韌帶承受的應力及其分布情況。
　　 材料和方法：對健康成年志愿者（男，25歲）左膝關節(jié)進行CT和MRI掃描，將CT和MRI數據導入Mimics10.0軟件，并在此基礎上建立膝關節(jié)的幾何模型。將具有幾何數據的IGES文件導入有限元前處理軟件Hypermesh中，并劃分有限元網格。在相關尸體實驗基礎上定義材料屬性、載荷、邊界條件等，并在Ls-dyna軟件中計算膝關節(jié)在中立位0°，屈膝30°，60°和90°時的運動學變化。在驗證模

5、型有效性后，利用該模型進一步計算后外側角完全損傷前后后交叉韌帶承受的應力及分布。
　　 研究結果:
　　 1．成功地建立了具有后外側角結構的三維非線性有限元模型,整個模型由4278個單元、4193個節(jié)點組成，模型在各種設定工況條件下的輸出結果與尸體實驗數據具有良好的可比性。
　　 2.完全切斷后外側角后，對脛骨施以134N后移力，后交叉韌帶承受的應力在所有屈膝角度均有增大，在中立位0°時增大最明顯，增幅為24.9

6、MPa；應力分布最集中的部位較切斷前無明顯變化。
　　 3.切斷后外側角后在5Nm外旋力矩載荷下，后交叉韌帶承受的應力在中立位0°和屈膝60°均有增大，在屈膝30°時增幅最大，增幅為22.6MPa，屈膝90°時有所減??；屈膝30°和90°時后交叉韌帶應力分布最集中的部位有明顯變化，均位于實質部。
　　 4.切斷后外側角后，對脛骨施以5Nm內翻力矩,后交叉韌帶承受的應力在所有屈膝角度均有明顯增加，在中立位0°時增幅最大，增

7、幅為22.2MPa；后交叉韌帶應力分布最集中的部位在中立位0°和30°時有明顯變化，分別位于股骨止點附近和股骨、脛骨止點附近及實質部。
　　 研究結論:
　　 1.我們成功地建立了包含后外側角的膝關節(jié)有限元模型，并驗證了其有效性，可進一步用于相關的生物力學分析研究。
　　 2.切斷后外側角后，在后移、外旋、內翻載荷下后交叉韌帶承受的應力在接近伸膝位時均有顯著增加。3.載荷的類型、屈膝角度、后外側角的完整性等因素均