膝关节内侧副韧带生物力学的有限元分析

发布时间：2017-05-27 19:18

  本文关键词：膝关节内侧副韧带生物力学的有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的:通过建立膝关节的三维有限元模型(Finite element model,FEM),分析膝关节内侧副韧带(Medial collateral ligment,MCL)浅层和深层的生物力学功能。方法:选取组织完整的冰冻新鲜人体膝关节标本10侧,解剖出MCL,测量并记录膝关节内侧副韧带浅层(Superficial medial collateral ligment,SMCL)、内侧副韧带深层(Deep medial collateral ligment,DMCL)厚度。选取一位健康男性志愿者,年龄27岁,通过X线检查确认右膝关节无病变。分别采用64排螺旋CT和3.0T MRI设备对该志愿者的右膝关节于伸直位进行扫描。将扫描数据信息以DICOM格式导入交互式医学影像控制系统MIMICS14.0,分别对股骨中下段、胫骨中上段、腓骨中上段、髌骨以及前交叉韧带(Anterior crueiate ligament,ACL)、后交叉韧带(Posterior crueiate ligament,PCL)、内侧副韧带、外侧副韧带(Lateral collateral ligament,LCL)、髌韧带(Patellar ligament,PL)、半月板进行三维重建,获得膝关节骨组织、韧带及半月板模型。将以上模型以STL格式导入到自动化逆向工程软件Geomagic Studio12.0中,对模型进行裁剪、封闭、偏移、膨胀、布尔减运算等处理,分别得到更为精细的模型文件,并按照内侧副韧带浅深两层的长、宽、厚解剖结构,运用裁剪、拉伸、布尔减运算等功能将浅、深两层分割开,得到两者的精细模型。将以上各精细模型文件再以STL格式导回MIMICS14.0软件中,在此软件3-matic模块中进行初步网格划分。建模成功后,将模型中的骨组织、韧带及半月板以ANSYS前处理文件cdb格式导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中,对模型进行组装,并赋予各材料属性。设定各韧带起止点与骨之间、内侧副韧带浅深两层与半月板之间的接触定义为绑定接触(Bonded),其他部位的接触方式均定义为不分离接触(No separation)。并重新对模型进行网格划分,各部分均采用五面体与六面体交互式网格划分,共获得节点877070个,单元354003个。约束股骨上端全部6个自由度,在模型上施加胫骨的前后向力、外翻及内外旋力矩,分别观察在MCL完整、SMCL缺失、DMCL缺失、MCL全部缺失时,胫骨的位移或偏转角度以及内侧副韧带浅层、深层的应力大小和分布情况。结果:1在134N前向力作用下,胫骨位移由MCL完整时的4.89mm变为SMCL缺失后的5.17mm、DMCL缺失后的5.04mm、MCL全部缺失后的5.17mm。且ACL的应力峰值最大,SMCL的应力峰值较大,DMCL的应力峰值较小。ACL的应力峰值主要集中在股骨止点处,SMCL的应力峰值也主要集中在股骨止点处,DMCL的应力峰值主要集中在起止点处。2在134N后向力作用下,胫骨位移由MCL完整时的4.98mm变为SMCL缺失后的4.99mm、DMCL缺失后的4.92mm、MCL全部缺失后的5.02mm。且PCL的应力峰值最大,SMCL的应力峰值较小,DMCL的应力峰值很小。PCL的应力峰值主要集中在起止点处,SMCL的应力峰值主要集中在股骨止点处,DMCL的应力峰值主要集中在起止点处。3在10N.m的外翻力矩作用下,胫骨外偏角度由MCL完整时的4.06°变为SMCL缺失后的6.08°、MCL缺失后的4.86°、MCL全部缺失后的6.22°。且SMCL的应力峰值最大,DMCL的应力峰值次之,ACL及PCL的应力峰值较小。SMCL的应力峰值主要集中在股骨止点处及前部,DMCL的应力峰值主要集中在起止点处。4在10N.m的外旋力矩作用下,胫骨外旋角度由MCL完整时的5.92°变为SMCL缺失后的5.95°、DMCL缺失后的5.94°、MCL全部缺失后的6.10°。且SMCL的应力峰值较大,ACL及PCL的应力峰值相对较小,DMCL的应力峰值很小。SMCL的应力峰值主要集中在股骨止点处及后部,DMCL的应力峰值主要集中在起止点处。5在10N.m的内旋力矩作用下,胫骨内旋角度由MCL完整时的6.64°变为SMCL缺失后的7.48°、DMCL缺失后的6.72°、MCL全部缺失后的7.57°。且SMCL的应力峰值较大,ACL及PCL的应力峰值相对较小,DMCL的应力峰值很小。SMCL的应力峰值主要集中在股骨止点处,DMCL的应力峰值主要集中在起止点处。结论:1利用健康人体膝关节CT、MRI影像数据及MIMICS、Geomagic和ANSYS等软件可以建立人体膝关节的三维有限元模型,并保持膝关节各解剖结构的真实性。2通过建立的膝关节三维有限元模型,模拟膝关节前后平移、外翻和内外旋运动,可以有效地分析膝关节内侧副韧带的生物力学功能。并可以得知:在膝关节伸直位时,膝MCL的主要作用是抵抗膝关节外翻运动,并对胫骨向前移位、膝关节内外旋运动也有限制作用,而在膝关节内侧副韧带结构中起主要作用的是SMCL,DMCL的作用较弱。在膝关节各种运动中,SMCL在股骨止点处是最容易损伤的,SMCL前部在抵抗外翻运动时也较容易损伤,SMCL后部在抵抗外旋运动时也较容易损伤,而DMCL损伤的风险较低,如果发生,损伤多发生在起止点处。
【关键词】：膝关节 内侧副韧带 生物力学 有限元 模型
【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R684;R318.01
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-11
• 英文缩写11-12
• 前言12
• 材料与方法12-16
• 结果16-18
• 附图18-27
• 附表27-32
• 讨论32-37
• 结论37
• 参考文献37-42
• 综述42-49
• 参考文献46-49
• 致谢49-51
• 个人简历51

【参考文献】

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  本文关键词：膝关节内侧副韧带生物力学的有限元分析，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：400953