膝關節(jié)內側副韌帶生物力學的有限元分析.pdf

1、目的:通過建立膝關節(jié)的三維有限元模型(Finite element model，F(xiàn)EM)，分析膝關節(jié)內側副韌帶(Medial collateral ligment，MCL)淺層和深層的生物力學功能。
　　方法:選取組織完整的冰凍新鮮人體膝關節(jié)標本10側，解剖出MCL，測量并記錄膝關節(jié)內側副韌帶淺層(Superficial medial collateral ligment，SMCL)、內側副韌帶深層(Deep medial col

2、lateral ligment，DMCL)厚度。選取一位健康男性志愿者，年齡27歲，通過X線檢查確認右膝關節(jié)無病變。分別采用64排螺旋CT和3.0T MRI設備對該志愿者的右膝關節(jié)于伸直位進行掃描。將掃描數(shù)據(jù)信息以DICOM格式導入交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)MIMICS14.0，分別對股骨中下段、脛骨中上段、腓骨中上段、髕骨以及前交叉韌帶(Anterior crueiate ligament，ACL)、后交叉韌帶(Posterior cru

3、eiate ligament，PCL)、內側副韌帶、外側副韌帶(Lateralcollateral ligament，LCL)、髕韌帶(Patellar ligament，PL)、半月板進行三維重建，獲得膝關節(jié)骨組織、韌帶及半月板模型。將以上模型以STL格式導入到自動化逆向工程軟件Geomagic Studio12.0中，對模型進行裁剪、封閉、偏移、膨脹、布爾減運算等處理，分別得到更為精細的模型文件，并按照內側副韌帶淺深兩層的長、寬、厚

4、解剖結構，運用裁剪、拉伸、布爾減運算等功能將淺、深兩層分割開，得到兩者的精細模型。將以上各精細模型文件再以STL格式導回MIMICS14.0軟件中，在此軟件3-matic模塊中進行初步網(wǎng)格劃分。建模成功后，將模型中的骨組織、韌帶及半月板以ANSYS前處理文件cdb格式導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對模型進行組裝，并賦予各材料屬性。設定各韌帶起止點與骨之間、內側副韌帶淺深兩層與半月板之間的接觸定義為綁定接觸(Bon

5、ded)，其他部位的接觸方式均定義為不分離接觸（No separation）。并重新對模型進行網(wǎng)格劃分，各部分均采用五面體與六面體交互式網(wǎng)格劃分，共獲得節(jié)點877070個，單元354003個。約束股骨上端全部6個自由度，在模型上施加脛骨的前后向力、外翻及內外旋力矩，分別觀察在MCL完整、SMCL缺失、DMCL缺失、MCL全部缺失時，脛骨的位移或偏轉角度以及內側副韌帶淺層、深層的應力大小和分布情況。
　　結果:
　　1、在13

6、4N前向力作用下，脛骨位移由MCL完整時的4.89mm變?yōu)镾MCL缺失后的5.17mm、DMCL缺失后的5.04mm、MCL全部缺失后的5.17mm。且ACL的應力峰值最大，SMCL的應力峰值較大，DMCL的應力峰值較小。ACL的應力峰值主要集中在股骨止點處，SMCL的應力峰值也主要集中在股骨止點處，DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。
　　2、在134N后向力作用下，脛骨位移由MCL完整時的4.98mm變?yōu)镾MCL缺失后的4.

7、99mm、DMCL缺失后的4.92mm、MCL全部缺失后的5.02mm。且PCL的應力峰值最大，SMCL的應力峰值較小，DMCL的應力峰值很小。PCL的應力峰值主要集中在起止點處，SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處，DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。
　　3、在10N.m的外翻力矩作用下，脛骨外偏角度由MCL完整時的4.06°變?yōu)镾MCL缺失后的6.08°、MCL缺失后的4.86°、MCL全部缺失后的6.22°。且SMCL

8、的應力峰值最大，DMCL的應力峰值次之，ACL及PCL的應力峰值較小。SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處及前部，DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。
　　4、在10N.m的外旋力矩作用下，脛骨外旋角度由MCL完整時的5.92°變?yōu)镾MCL缺失后的5.95°、DMCL缺失后的5.94°、MCL全部缺失后的6.10°。且SMCL的應力峰值較大，ACL及PCL的應力峰值相對較小，DMCL的應力峰值很小。SMCL的應力峰值主要集中在

9、股骨止點處及后部，DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。
　　5、在10N.m的內旋力矩作用下，脛骨內旋角度由MCL完整時的6.64°變?yōu)镾MCL缺失后的7.48°、DMCL缺失后的6.72°、MCL全部缺失后的7.57°。且SMCL的應力峰值較大，ACL及PCL的應力峰值相對較小，DMCL的應力峰值很小。SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處，DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。
　　結論:
　　1、利用健康人體膝

10、關節(jié)CT、MRI影像數(shù)據(jù)及MIMICS、Geomagic和ANSYS等軟件可以建立人體膝關節(jié)的三維有限元模型，并保持膝關節(jié)各解剖結構的真實性。
　　2、通過建立的膝關節(jié)三維有限元模型，模擬膝關節(jié)前后平移、外翻和內外旋運動，可以有效地分析膝關節(jié)內側副韌帶的生物力學功能。并可以得知:在膝關節(jié)伸直位時，膝MCL的主要作用是抵抗膝關節(jié)外翻運動，并對脛骨向前移位、膝關節(jié)內外旋運動也有限制作用，而在膝關節(jié)內側副韌帶結構中起主要作用的是SMCL