運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線的人工膝關(guān)節(jié)有限元建模和生物力學(xué)研究.pdf

1、研究背景:
　　膝關(guān)節(jié)是人體下肢的樞紐關(guān)節(jié)，其復(fù)雜組織解剖結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模式和所處的力學(xué)環(huán)境及其功能要求使其易受創(chuàng)傷和骨性關(guān)節(jié)炎等疾病累及，傷病發(fā)生率居各關(guān)節(jié)之首。
　　人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(Total Knee Arthroplasty，TKA或Total Knee Replacement，TKR)是采用手術(shù)的方法將病損的膝關(guān)節(jié)負(fù)重面替換為人工關(guān)節(jié)材料，從而消除膝關(guān)節(jié)疼痛、恢復(fù)下肢生理力線、改善膝關(guān)節(jié)活動(dòng)功能。TKA是骨科最成功

2、的經(jīng)典手術(shù)之一，它使過(guò)去只能依賴(lài)藥物緩解疼痛無(wú)法長(zhǎng)距離行走，甚至只能截肢的患者恢復(fù)了行走功能，大大改善了患者的生活質(zhì)量。
　　TKA不僅僅是骨的手術(shù)，更是軟組織的手術(shù)，下肢力線精確重建、假體位置正確安置是影響術(shù)后關(guān)節(jié)功能和假體使用壽命的重要因素，對(duì)評(píng)估手術(shù)成敗和術(shù)后療效有重要的參考價(jià)值。為了提高TKA術(shù)中下肢力線重建的準(zhǔn)確性，大量的醫(yī)療衛(wèi)生資源和研究精力被投入到術(shù)中計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)和個(gè)體化手術(shù)工具(patient specifi

3、cinstrument，PSI)的研究中。人工全膝關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為T(mén)KA術(shù)后患者下肢力線應(yīng)重建至與中立位力線偏差小于3°的位置。近年來(lái)有很多術(shù)后隨訪研究發(fā)現(xiàn)TKA術(shù)后重建的下肢力線無(wú)論是否與中立位力線偏差在3°以內(nèi)，患者術(shù)后的人工關(guān)節(jié)假體生存率并無(wú)顯著差異。這些研究結(jié)果讓研究者們開(kāi)始思考TKA對(duì)線標(biāo)準(zhǔn)是否存在不足，Howell等一些學(xué)者更進(jìn)一步提出了運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線TKA(KinematicalAlignment TKA，KA-T

4、KA)概念，即TKA應(yīng)以患者膝關(guān)節(jié)正常狀態(tài)的或病損前狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)軸為對(duì)線、定位參考進(jìn)行截骨、假體安置，從而在術(shù)后使人工膝關(guān)節(jié)盡可能的模擬人體膝關(guān)節(jié)正常的生物力學(xué)狀態(tài)。目前KA-TKA成為關(guān)注的熱點(diǎn)是因?yàn)榻?jīng)典的MA-TKA術(shù)后出現(xiàn)了較高的不滿意率。從理論上說(shuō)，相對(duì)于MA-TKA的機(jī)械力學(xué)對(duì)線方式，KA-TKA的運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線方式能最大程度的恢復(fù)患者的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境，從而獲得更好的手術(shù)效果和臨床療效，但目前相關(guān)臨床和基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)

5、不足以充分的證明這一觀點(diǎn)，KA-TKA是否更具優(yōu)勢(shì)，尚需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。
　　第一部分:人體膝關(guān)節(jié)和人工膝關(guān)節(jié)真幾何模型和有限元模型的建立
　　目的:建立人體膝關(guān)節(jié)和TKA假體仿真幾何模型和有限元模型，為進(jìn)行膝關(guān)節(jié)和TKA術(shù)后的生物力學(xué)分析建立基礎(chǔ)。
　　方法:選擇一名健康成年人志愿者，使用CT進(jìn)行左側(cè)下肢全長(zhǎng)掃描，MRI進(jìn)行膝關(guān)節(jié)掃描，獲取醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用Mimics15.0、UG NX7.0、ABAQUS6.8等

6、圖像處理分析軟件和有限元分析軟件，重建了人體膝關(guān)節(jié)仿真幾何模型，在此幾何模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元軟件構(gòu)建膝關(guān)節(jié)的有限元模型。利用逆向工程技術(shù)和GeomagicStudio9.0軟件將施樂(lè)輝公司(Smith& Nephew Inc.)GenesisⅡ后穩(wěn)定型人工全膝關(guān)節(jié)假體的外形掃描數(shù)據(jù)重建為幾何模型，將其和膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行裝配，獲得人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)幾何模型和有限元模型。
　　結(jié)果:建立了適用于進(jìn)行膝關(guān)節(jié)和人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后

7、生物力學(xué)分析的解剖型仿真幾何模型和有限元模型。
　　結(jié)論:本研究利用CT、MRI影像數(shù)據(jù)和逆向工程技術(shù)所建立的人體膝關(guān)節(jié)和人工膝關(guān)節(jié)假體仿真幾何模型和有限元模型，與人體膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)一致，可逼真的重現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，用于TKA手術(shù)仿真、模擬并進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　第二部分:運(yùn)動(dòng)力學(xué)與機(jī)械力學(xué)對(duì)線的人工膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)分析
　　目的:有限元分析比較運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線和機(jī)械力學(xué)對(duì)線的人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)后生物力學(xué)特性，重點(diǎn)探討

8、兩種對(duì)線方式下人工關(guān)節(jié)接觸面的應(yīng)力和應(yīng)變情況。
　　方法:隨機(jī)選擇12名健康成年人志愿者，根據(jù)第一部分的建模方法，獲取志愿者左側(cè)膝關(guān)節(jié)仿真幾何模型和有限元模型，選擇合適大小的人工全膝關(guān)節(jié)假體，按運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線方式和機(jī)械力學(xué)對(duì)線方式分別進(jìn)行虛擬截骨、假體安裝，通過(guò)有限元分析軟件仿真單足站立情形施加載荷，觀察人工關(guān)節(jié)假體接觸面的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變情況。
　　結(jié)果:按機(jī)械力學(xué)對(duì)線(MA)方式放置安裝假體后，股骨假體接觸表面最大應(yīng)力為

9、38.25±2.66MPa，按運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線(KA)方式安置假體后，最大應(yīng)力減小為30.37±2.76MPa，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05。在超高分子聚乙烯墊片表面，MA方式時(shí)最大應(yīng)力為12.07±1.67MPa，KA方式時(shí)最大應(yīng)力減小為8.14±2.49MPa，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05。在MA方式下股骨假體接觸表面最大應(yīng)變?yōu)?.51×10-4±1.09×10-5mm，KA方式時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.18×10-5±1.05×10-5

10、mm，小于MA方式時(shí)的形變，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05。在超高分子聚乙烯墊片表面，MA方式時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.43××10-3±5.12×10-4mm，KA方式時(shí)應(yīng)變減小，為2.10×10-3±3.86×10-4mm，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05。
　　結(jié)論:與傳統(tǒng)機(jī)械力學(xué)對(duì)線方式相比，按運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)線方式進(jìn)行人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)可降低股骨假體和脛骨聚乙烯襯墊表面的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，使人工關(guān)節(jié)接觸面壓力分布更均勻，從而減少關(guān)節(jié)