基于完整膝关节模型站立和骑行时关节软骨相关力学特征研究

膝关节是人体下肢运动的枢纽,也是人体的一个重要负重关节,具有运动量大的特点,这一特征导致膝关节成为临床疾病的好发部位。一旦膝关节病变,将严重影响人们的日常生活。研究表明,骨关节炎的产生与膝关节的力学环境息息相关,所以有必要对不同步态下的膝关节力学状态以及病变后膝关节的力学特性进行深入研究。本文选取站立(双腿站立和单腿站立)状态和骑行时三个位置(屈曲60°、屈曲80°和屈曲100°),考察完整膝关节以及软骨损伤后的膝关节在相应状态的生物力学特性,并进行对比,以期为膝关节疾病的预防以及临床治疗提供理论参考。本课题应用有限元技术对膝关节生物力学特性进行考察。首先,基于CT扫描技术,结合医学影像处理软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio、三维绘图软件Pro-e建立完整的膝关节实体模型,包括股骨远端、胫骨近端、髌骨、腓骨以及与上述各骨结构对应的软骨,半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带以及髌腱。然后,选用有限元分析软件Abaqus建立完整膝关节有限元模型以及缺损直径为8mm软骨损伤的膝关节有限元模型。在隐式静态模块,给有限元模型施加边界条件和生理载荷,模拟和计算站立时膝关节的力学特性并进行分析;在显式动态模块,给有限元模型施加膝关节屈曲时胫骨以及髌骨相对股骨发生的位移边界条件以及骑行时膝关节的关节载荷,模拟和计算骑行时三个屈曲相位处膝关节的力学特性并进行分析。结果显示,与双腿站立相比,单腿站立时膝关节软骨及半月板的应力约增加一倍;当软骨发生8mm损伤时,其Von-mises应力值会增加,其中单腿站立时缺损股骨软骨的应力值增幅更高,为36.74%,胫骨软骨应力增幅均约为87%;不同站姿时,膝关节的软骨及半月板的应力分布无明显差异,无明显应力集中现象。骑行三个相位处,屈曲角度越大,股骨软骨上的应力值越大,自屈曲60°至屈曲100°,股骨软骨的最大Von-mises应力增幅达71.25%;屈曲角度较大时,胫股关节上软骨的应力分布更倾向膝关节内后侧,髌股关节的应力更倾向于上侧,这种现象的出现可能与关节在屈曲过程中骨组织之间的相对运动密切相关。另一方面,本文分析了当股骨内侧髁软骨发生损伤时,膝关节在上述三个相位处的力学特性。发现与健康软骨相比,发生缺损的股骨软骨在三个屈曲位的应力值更大,且应力分布发生一定的变化。综上分析,单腿站立比双腿站立产生更大的应力,骑行时大角度屈曲位处软骨应力较大,软骨损伤后易导致应力增加。所以,日常运动时应注意膝关节的保护,一旦关节软骨发生损伤,应该积极及时治疗。