運動力學對線的人工膝關節(jié)有限元建模和生物力學研究.pdf

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

2、的經典手術之一，它使過去只能依賴藥物緩解疼痛無法長距離行走，甚至只能截肢的患者恢復了行走功能，大大改善了患者的生活質量。
　　TKA不僅僅是骨的手術，更是軟組織的手術，下肢力線精確重建、假體位置正確安置是影響術后關節(jié)功能和假體使用壽命的重要因素，對評估手術成敗和術后療效有重要的參考價值。為了提高TKA術中下肢力線重建的準確性，大量的醫(yī)療衛(wèi)生資源和研究精力被投入到術中計算機輔助導航技術和個體化手術工具(patient specifi

3、cinstrument，PSI)的研究中。人工全膝關節(jié)置換領域傳統(tǒng)的觀點認為TKA術后患者下肢力線應重建至與中立位力線偏差小于3°的位置。近年來有很多術后隨訪研究發(fā)現(xiàn)TKA術后重建的下肢力線無論是否與中立位力線偏差在3°以內，患者術后的人工關節(jié)假體生存率并無顯著差異。這些研究結果讓研究者們開始思考TKA對線標準是否存在不足，Howell等一些學者更進一步提出了運動力學對線TKA(KinematicalAlignment TKA，KA-T

4、KA)概念，即TKA應以患者膝關節(jié)正常狀態(tài)的或病損前狀態(tài)的運動軸為對線、定位參考進行截骨、假體安置，從而在術后使人工膝關節(jié)盡可能的模擬人體膝關節(jié)正常的生物力學狀態(tài)。目前KA-TKA成為關注的熱點是因為經典的MA-TKA術后出現(xiàn)了較高的不滿意率。從理論上說，相對于MA-TKA的機械力學對線方式，KA-TKA的運動力學對線方式能最大程度的恢復患者的膝關節(jié)生物力學和運動力學環(huán)境，從而獲得更好的手術效果和臨床療效，但目前相關臨床和基礎研究還遠遠

5、不足以充分的證明這一觀點，KA-TKA是否更具優(yōu)勢，尚需進一步研究驗證。
　　第一部分:人體膝關節(jié)和人工膝關節(jié)真幾何模型和有限元模型的建立
　　目的:建立人體膝關節(jié)和TKA假體仿真幾何模型和有限元模型，為進行膝關節(jié)和TKA術后的生物力學分析建立基礎。
　　方法:選擇一名健康成年人志愿者，使用CT進行左側下肢全長掃描，MRI進行膝關節(jié)掃描，獲取醫(yī)學影像數據，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，重建了人體膝關節(jié)仿真幾何模型，在此幾何模型基礎上，運用有限元軟件構建膝關節(jié)的有限元模型。利用逆向工程技術和GeomagicStudio9.0軟件將施樂輝公司(Smith& Nephew Inc.)GenesisⅡ后穩(wěn)定型人工全膝關節(jié)假體的外形掃描數據重建為幾何模型，將其和膝關節(jié)模型進行裝配，獲得人工全膝關節(jié)置換術后膝關節(jié)幾何模型和有限元模型。
　　結果:建立了適用于進行膝關節(jié)和人工全膝關節(jié)置換術后

7、生物力學分析的解剖型仿真幾何模型和有限元模型。
　　結論:本研究利用CT、MRI影像數據和逆向工程技術所建立的人體膝關節(jié)和人工膝關節(jié)假體仿真幾何模型和有限元模型，與人體膝關節(jié)解剖結構一致，可逼真的重現(xiàn)膝關節(jié)的真實結構，用于TKA手術仿真、模擬并進行生物力學分析。
　　第二部分:運動力學與機械力學對線的人工膝關節(jié)生物力學分析
　　目的:有限元分析比較運動力學對線和機械力學對線的人工全膝關節(jié)置換術術后生物力學特性，重點探討

8、兩種對線方式下人工關節(jié)接觸面的應力和應變情況。
　　方法:隨機選擇12名健康成年人志愿者，根據第一部分的建模方法，獲取志愿者左側膝關節(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節(jié)假體，按運動力學對線方式和機械力學對線方式分別進行虛擬截骨、假體安裝，通過有限元分析軟件仿真單足站立情形施加載荷，觀察人工關節(jié)假體接觸面的最大應力和最大應變情況。
　　結果:按機械力學對線(MA)方式放置安裝假體后，股骨假體接觸表面最大應力為

9、38.25±2.66MPa，按運動力學對線(KA)方式安置假體后，最大應力減小為30.37±2.76MPa，差異具有統(tǒng)計學意義，P＜0.05。在超高分子聚乙烯墊片表面，MA方式時最大應力為12.07±1.67MPa，KA方式時最大應力減小為8.14±2.49MPa，差異具有統(tǒng)計學意義，P＜0.05。在MA方式下股骨假體接觸表面最大應變?yōu)?.51×10-4±1.09×10-5mm，KA方式時最大應變?yōu)?.18×10-5±1.05×10-5

10、mm，小于MA方式時的形變，差異具有統(tǒng)計學意義，P＜0.05。在超高分子聚乙烯墊片表面，MA方式時最大應變?yōu)?.43××10-3±5.12×10-4mm，KA方式時應變減小，為2.10×10-3±3.86×10-4mm，差異具有統(tǒng)計學意義，P＜0.05。
　　結論:與傳統(tǒng)機械力學對線方式相比，按運動力學對線方式進行人工全膝關節(jié)置換術可降低股骨假體和脛骨聚乙烯襯墊表面的最大應力和最大應變，使人工關節(jié)接觸面壓力分布更均勻，從而減少關節(jié)