膝关节术后胫-股、髌-股关节动态接触应力分布预测仿真

膝关节是人体中最重要、最复杂的关节，它是保持人体静、动平衡、维持人体下肢运动的重要结构。它也是关节中最易受损、发病率最高的部位。在膝关节的创伤手术中，又以三类重建手术占主要比例：前交叉韧带重建，损伤半月板修复与重建和全膝关节置换。本研究主要致力于三类重建手术术后在运动模态下的胫-股、髌-股关节动态接触应力分布仿真研究，基于从2D医学CT/MRI图像重构3D膝关节模型的基础，主要从事以下五方面的研究：1.膝关节粘弹性特性与仿真；2.建立膝关节屈/伸中运动/动力模型；3.研制视觉测试系统测试人体运动模态并建立运动模态向胫-股、髌-股关节的映射算法；4.建立三类重建术后局部关节运动/动力调整模型，构建术后与正常胫-股、髌-股关节运动/动力模型综合及一致性处理算法；5. 运动模态下三类重建术后膝关节胫-股、髌-股关节动态接触应力预报仿真。研究目标是通过仿真在术前对术后的关节功能恢复提供预测。

摘要: 膝关节是人体最大的运动与支撑关节，刚柔一体，结构复杂，而因外裸性又极易损伤。损伤后通过修复手术恢复膝关节功能，但术后膝关节使用性能不能完全如人所愿，出现诱发膝关节综合病症及关节功能的早期失效。为保障修复手术品质，使术后膝关节趋近正常膝功能，本项目以前交叉韧带重建、半月板损伤切除和移植及全膝关节置换术后膝为对象，通过有限元仿真实验，分析与预测术后膝动态屈曲过程的力学特性。.本项目通过自制俯卧式膝关节屈曲角度MRI扫描支撑架，采集了健康正常右膝直立位CT及屈曲角度（0度、25度、60度、80度）的MRI扫描图像数据，对该右膝CT/MRI数据应用Mimics8.1与Geomagic软件建立了膝关节损伤修复（包括损伤组织切除、ACL重建、同种异体内侧半月板移植及全膝关节置换）模型，在对修复模型定义各种不同力学环境的条件下应用ANSYS 11.0与Abaqus 6.8.1软件进行了直立位与屈曲角度（0度、25度、60度、80度）的有限元仿真，获得修复术后膝关节直立位及屈曲过程的软骨、半月板、韧带及移植物和假体上的应力分布特性、关节面间的接触力、韧带张力特性及随屈曲角度的应力分布变化特性等。基于并联机构及螺旋理论建立了正常膝关节机构及TKA后膝关节运动模型，应用2012ADAMS与MATLAB 软件，通过对正常膝关节机构运动的模拟，得到随屈曲角膝关节韧带的变形特性和股骨相对胫骨的转角特性，通过对TKA后膝关节的运动模拟，得到含假体膝关节屈曲角（0度-120度）内的股骨内侧/外侧髁前/后移动特性及内/外旋转特性；在此基础上，进行了屈曲角度（0度-100度）内的含假体全膝关节承受轴向压载荷时的应力遮挡分析，仿真结果表明胫骨上的应力遮挡最明显，使用骨水泥会增加应力遮挡效应。.本项目主要研究成果体现于膝关节屈曲角度图像数据采集，不同修复术后屈曲过程的膝组织应力变化特性预测，正常与TKA后全膝关节运动学仿真及应力遮挡特性预测。本项目的研究结果为分析与评价膝关节修复术后品质提供技术、方法及基础数据。也为降低修复术后膝关节功能的早期失效、降低手术返修率提供方法与技术。