不同屈曲状态下膝关节韧带生物力学的有限元分析

目的:利用有限元法分析膝关节在不同屈曲角度受力后,前、后交叉韧带,内、外侧副韧带的生物力学特点。方法:选取1名健康成年男性为研究对象,建立其包含骨、韧带、半月板和软骨的左膝关节仿真三维有限元模型;模拟膝关节在不同屈曲角度下,分别对股骨加载后向134N的力、内外翻10Nm的力矩,以及外翻10Nm加内旋5Nm的联合力矩,分析前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)、内侧副韧带(MCL)、外侧副韧带(LCL)的应力分布及大小变化情况。结果:对股骨加载后向134N应力后,膝关节在屈曲0°、30°、60°和90°位时,ACL所受应力最大,PCL的应力最小,MCL的最大应力大于LCL,均随屈曲角度的增大而减小;施加外翻应力时,MCL所受应力最大,其次为ACL、PCL,LCL应力最小;内翻时,LCL所受应力最大,其次为PCL、ACL,MCL应力最小;联合应力时,MCL应力最大,其次为ACL,远远大于PCL和LCL的应力,除PCL之外,其他各韧带的应力随屈曲角度的增大而减小。结论:膝关节三维有限元模型可以模拟膝关节不同运动状态下的不同受力情况,可以有效地分析膝关节韧带在不同运动状态下的生物力学特性并推测其损伤机制。所有韧带的应力分布和大小随着不同屈曲角度发生不同改变,损伤风险也发生相应改变。