全膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的有限元仿真研究.pdf

1、膝關(guān)節(jié)是人全身最大、最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，位居髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間，是下肢活動(dòng)的樞紐。它的任何一個(gè)主要組成部分的損壞都會(huì)引起膝關(guān)節(jié)的反常運(yùn)動(dòng)，久之軟骨和半月板由于磨損、變性而形成骨性關(guān)節(jié)病，從而嚴(yán)重影響得病者的正常活動(dòng)。包括膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)病、髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)病在內(nèi)的各類骨關(guān)節(jié)病其發(fā)病率隨年齡的增長(zhǎng)而不斷增高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，50歲以上的人群中，50[％]患有骨關(guān)節(jié)病，65歲以上的人群中，90[％]的女性和80[％]的男性患有此病。骨關(guān)節(jié)疾病嚴(yán)重地影響了老年人的

2、生活質(zhì)量，甚至對(duì)他們的生命構(gòu)成了威脅；老年患者不僅飽嘗病痛的折磨，同時(shí)也給家庭和社會(huì)帶來(lái)許多負(fù)擔(dān)。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的日漸提高，骨性關(guān)節(jié)病也開(kāi)始趨向低齡化，將來(lái)越來(lái)越多的人會(huì)受到骨性關(guān)節(jié)病的困擾。
　　 鑒于膝關(guān)節(jié)的重要性及相關(guān)疾病的危害性，人們對(duì)其解剖結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的生物力學(xué)特性的研究也越來(lái)越深入和廣泛。通過(guò)對(duì)正常和病變膝關(guān)節(jié)的對(duì)比研究和分析，不但可以更好地闡明膝關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生機(jī)制，而且還可以指導(dǎo)相關(guān)疾病的治療及康復(fù)。

3、但由于膝關(guān)節(jié)自身解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、組成材料性質(zhì)的多樣性、運(yùn)動(dòng)形式以及各組成部分載荷分配情況的復(fù)雜性，因而人們目前還不能對(duì)膝關(guān)節(jié)的各種生物力學(xué)性質(zhì)及行為做出準(zhǔn)確的描述。
　　 經(jīng)過(guò)將近四十年的發(fā)展，有限元方法已經(jīng)成為目前國(guó)際上進(jìn)行肌肉—骨骼系統(tǒng)計(jì)算力學(xué)分析的主要手段，但由于膝關(guān)節(jié)處所涉及的關(guān)節(jié)面、韌帶、肌肉眾多，建立完全的有限元模型由于過(guò)于復(fù)雜而不易研究。目前的研究主要集中在組成膝關(guān)節(jié)的骨骼和主要韌帶，但包括膝部各骨骼和主要韌帶的

4、三維有限元模型研究還較少。
　　 鑒于此，本文的主要工作是進(jìn)行了下蹲和步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的拍攝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了下蹲過(guò)程中人體的足底受力情況，確定了在下蹲過(guò)程中股四頭肌的力矩；建立包括膝部各骨骼和主要韌帶的三維有限元模型，通過(guò)有限元仿真方法，研究膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)的情況下(包括下蹲、步行等運(yùn)動(dòng))，膝關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)及韌帶的應(yīng)力分布。
　　 具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)建立簡(jiǎn)化的股骨、脛骨及半月板的生物力學(xué)模型，初步估

5、算了股骨、脛骨軟骨關(guān)節(jié)面接觸時(shí)，接觸面上的接觸壓力和股骨、半月板接觸時(shí)的接觸壓力。并著重對(duì)軟組織的生物力學(xué)特性進(jìn)行分析，給出了韌帶的材料特性、初始應(yīng)變等數(shù)據(jù)。進(jìn)行了下蹲和步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的拍攝，得到了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)角度的變化曲線；同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了下蹲過(guò)程中人體的足底受力情況，確定了在下蹲過(guò)程中股四頭肌的力矩；
　　 (2)從生物力學(xué)角度，基于一名志愿者的膝部CT掃描圖像，建立了包括完整股骨、脛骨、腓骨、髕骨，及膝部各主要軟骨、韌帶的

6、三維有限元模型，通過(guò)與其它理論模型、實(shí)驗(yàn)、有限元模型的結(jié)果進(jìn)行比較分析，證實(shí)了該模型的合理性、有效性；
　　 (3)利用已建成膝部的三維有限元模型，計(jì)算并分析了雙腿站立、下蹲和步行運(yùn)動(dòng)作用下膝關(guān)節(jié)各部位和韌帶的應(yīng)力分布，探討了載荷和運(yùn)動(dòng)耦合的情況對(duì)接觸壓力分布的影響?？梢钥闯鲈?°～90°的屈膝運(yùn)動(dòng)中，隨著屈膝角度的增大，各軟骨和半月板上的接觸壓力峰值也隨之增大，相對(duì)于內(nèi)側(cè)半月板，外側(cè)半月板峰值變化不大，且內(nèi)側(cè)半月板的壓力值大于

7、外側(cè)半月板的。在步行運(yùn)動(dòng)中，ACL比其他韌帶的張力值大；
　　 (4)雙腿站立時(shí)各軟骨和半月板上的接觸壓力峰值最小，深度屈膝時(shí)，各接觸壓力峰值最大，單腿支撐時(shí)壓力峰值略大于腳跟著地狀態(tài)；
　　 綜上所述，本文建立了膝關(guān)節(jié)周?chē)型暾趋?、主要韌帶的三維有限元模型，引入髖、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，從股骨頂端加載來(lái)研究膝部各關(guān)節(jié)面接觸力及韌帶的應(yīng)力分布。通過(guò)與其他學(xué)者的研究數(shù)據(jù)比較，證實(shí)了該模型的合理性和有效性。本文的研究結(jié)