人体膝关节TKA后关节线高度对人工膝生物力学特性影响的仿真分析

摘要

本文以国家自然科学基金“高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制研究(31370999)”为支撑，研究人体膝关节TKA后关节线高度对人工膝力学特性影响。
　　分析人体膝关节全膝关节置换术（TKA）后关节线高度对人工髌股和胫股关节力学特性的影响，确定TKA后合适的关节线高度变化范围，为临床研究提供帮助。
　　利用CT和磁共振图像扫描获得膝关节相关数据，从而建立全膝关节三维几何模型，模拟TKA手术，并结合文献研究数据，定义膝关节各骨组织及软组织的材料属性、相应载荷、边界条件等。以正常膝关节线为标准零位，并以高度每变化1mm为一组，在关节线高度范围-4mm～+6mm内，共建立11组TKA后有限元模型。对负重状态下的膝关节下蹲运动过程进行动态有限元分析，分析TKA后人工膝关节线高度变化对髌股关节、胫股关节力学特性的影响。
　　在整个下蹲运动过程中，胫股和髌股关节的接触应力的整体趋势随屈曲角度的增加而增加。通过分析其运动趋势可知，对于人工髌股关节和胫股关节，TKA后合适的关节线高度变化区间分别为-1mm～+3mm和-1mm～+5mm。当膝关节线高度高于这个范围时，将导致髌股和胫股关节局部接触应力幅值波动明显，聚乙烯假体磨损加剧；当膝关节线高度低于这个范围，将导致软组织约束不足，增加胫股关节脱位的风险。
　　当选择的人工膝假体型号偏小时，临床需要保持TKA后关节线高度变化位于-1mm～+3mm的区间，以便降低局部应力峰值，延长超高分子聚乙烯假体的寿命，维持软组织锁紧机制，降低胫股关节脱位的风险。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 TKA后膝关节几何结构的改变对膝关节生物力学特性的影响

1.2 有限元仿真进展及在关节线上的应用

1.3 国人膝关节解剖特点

1.4 TKA后关节线的研究现状与进展

1.5 研究内容

2 膝关节解剖结构及运动理论

2.1 引言

2.2 膝关节解剖结构及功能

2.3 膝关节相关软组织解剖特点

2.4 膝关节运动特点

2.5 本章小结

3建立膝关节模型及确定骨性标志

3.1 引言

3.2 膝关节几何模型的建立

3.3 计算机模拟截骨

3.4 本章小结

4 TKA后三维模型及有限元模型的建立

4.1 引言

4.2 PFC假体的逆向建模

4.3 正常关节线高度的TKA模拟截骨

4.4 建立TKA后膝关节软组织

4.5 全膝关节置换术后有限元建模

4.6 有限元模型验证

4.7 本章小结

5 TKA后关节线高度对髌股关节生物力学特性的影响

5.1 引言

5.2 不同关节线高度下髌骨假体有限元结果

5.3 TKA后髌股关节有限元结果分析

5.4 本章小结

6 TKA后关节线变化对胫股关节生物力学特性的影响

6.1 引言

6.2 不同关节线高度下胫骨假体有限元结果

6.3 TKA后胫股关节有限元结果分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 不足和展望

参考文献

作者简历

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