胫骨高位截骨术后力线的纠正与胫骨近端力学变化的有限元分析

摘要

目的：建立人体膝关节三维有限元模型，模拟胫骨高位截骨术后不同力线纠正方向，对胫骨近端骨表面力学分布进行有限元分析。利用有限元技术从生物力学角度分析截骨术后膝关节力学环境的改变，验证“藤泽点”的合理性。指导膝关节骨性关节炎患者胫骨高位截骨术的临床应用。 方法：收集3例膝关节正常志愿者的三维CT重建影像学资料，将其DICOM格式数据的导入Mimcs软件，进行膝关节三维模型建立。将模型导入ANSYS软件，进行网格化。设定膝关节最内侧为0%，最外侧为100%。定义“藤泽点”为62.5%的位置，藤泽点左右各取两点。材料赋值，再施加300N的载荷，模拟力线经过膝关节冠状面55%、60%、62.5%（藤泽点）、65%、70%处的不同力线纠正方向，进行应力传导致胫骨近端时应力分布的研究，实验设定正常人在静止站立情况下的膝关节受力变化。结果显示应力较大区域的最小压强值（约0.20Mpa）也显著高于周围100倍，故本实验定义这一区域为应力集中区域。收集不同力线方向情况下膝关节内外侧间室的骨表面应力集中区域面积和压强值，行统计学处理，比较得出最佳的下肢力线纠正方向，从生物力学角度验证“藤泽点”的合理性。 结果：实验结果取得55%、60%、62.5%、65%、70%这5种力线方向下的膝关节内外侧间室的应力集中区域面积和压强值。结果分析，在不同力线条件下膝关节内外侧应力集中区域面积差和压强值差不同，差异均有统计学意义(P＜0.05；P＜0.05)，其中力线在62.5%附近时膝关节内外侧间室应力集中区域面积差和压强值差最小，能取得力在胫骨关节表面的较为均匀分布。 结论：膝关节的有限元分析证实，力线的改变对于膝关节受力变化的影响是直接且是多方面的，无论内外侧间室压强值、应力集中区域面积还是内外侧的重力分配均发生了变化。下肢力线经过55%、60%、62.5%、65%、70%这五种情况时，膝关节内外侧间室应力集中区域面积和压强值各不相同，其中经过膝关节内侧62.5%（即藤泽点）附近的下肢力线能得到最小的膝关节内外侧间室应力集中区域面积差和压强值差，能够获得力在胫骨表面的较为均匀分布，用科学的生物力学分析验证了“藤泽点”的合理性，这为膝关节骨性关节炎患者胫骨高位截骨术的临床应用提供重要的参考。

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