肘关节接触压力分布的实验和有限元仿真研究

本项目通过实验测量和有限元仿真方法，研究肘关节在不同运动情况下的接触压力分布及韧带的应力分布。使用高速摄影方法获得肘关节的运动学数据；采用应变计阵列测量肘关节在屈-伸和前臂旋前-后等运动时肘关节接触压力的分布；通过有限元分析软件，建立肘关节的三维有限元模型，模型包括：肱骨、尺骨、桡骨、各关节软骨、内侧副韧带和外侧副韧带以及环韧带等相关的组织。对建立的肘关节模型，分别进行屈-伸、前臂旋前-后等运动时的有限元分析，得到肘关节接触压力的分布及韧带的应力分布。对比实验测量和有限元分析结果，得出结论。.本项目对于认识肘关节的运动原理，深入理解在不同运动情况下肘关节接触压力的分布等具有重要意义；对于预测肘关节的退化机制、肘关节的磨损、术前计划和术后康复具有重要的学术意义和临床意义；对于肘关节假体的设计、肘关节置换术及其临床应用具有重要的学术意义和应用价值。

目前，尽管肘关节骨关节病的发生报道率不是很高，但通过实际的临床诊断和分析可以发现，因患者不太重视关节的微小疼痛，从而引起肘关节软骨的损伤持续增加，并最终导致骨关节病的患者呈上升趋势。本项目针对人体运动、外部载荷对肘关节的影响进行了研究。主要工作可分为三个部分：在日常运动时，肘关节的运动学分析、动力学分析以及肘关节接触压力的有限元仿真分析。通过对人体上肢运动过程的拍摄和处理，获得了标志点的三维运动学数据；通过对人体上肢运动的逆向动力学分析，计算并得到上肢运动过程中关节力矩、关节反力以及肌肉力的变化情况；基于人体上肢的CT扫描图像序列，建立了包括完整骨骼，肘关节，关节软骨以及主要韧带的人体上肢三维有限元模型。通过与其他学者的研究数据比较，证实了模型的合理性和有效性。. 本项目得到的主要结果如下：在肘关节的各种运动过程中，肘关节绕X轴旋转（屈-伸方向）的角度变化明显，而绕另外两个轴的旋转角度变化几乎为零；通过逆向动力学分析可知，水平位的运动比竖直位的运动具有较高的关节反力值、肌肉力值和肌肉活性值；在大多数情况下，长骨方向的关节反力数值最大，因此分析中应该主要考虑此方向的关节反力、接触压力等；通过对日常活动的有限元仿真分析，得到了运动过程中肘关节各关节面的接触压力、接触面积，各骨骼、韧带、软组织的应力分布情况。并将有限元分析结果与逆向动力学的结果进行了对比。. 通过分析在不同运动情况下上肢各部分的运动学数据，可以为有限元模型的仿真分析提供运动学数据。在临床上，运动分析也可以诊断运动相关疾病以及进行运动康复训练。通过上肢运动逆向动力学的分析，可以理解人体骨骼-关节-肌肉系统的运动机制，并在此基础上协助临床诊断，制定相关疾病的康复训练计划。通过建立人体上肢有限元模型，研究肘关节接触压力的分布，对于预测肘关节的退化机制、肘关节假体的设计、术前计划和术后康复等具有重要的意义。