人体自然和TKA术后髌股关节下蹲运动的生物力学特性研究

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”为支撑，研究自然和全膝置换（TKA）后膝关节在下蹲运动中，髌股关节的生物力学特性。
　　运用计算机图像技术对已经获取的人体膝关节解剖结构数据进行处理，建立了包括膝关节骨组织以及韧带、软骨和半月板等主要软组织在内的较为完整的自然膝关节三维几何解剖模型。该模型可以用来做自然膝关节的有限元力学分析，也可以植入假体做TKA后膝关节的有限元力学分析，为人体膝关节的分析提供了一个该研究领域中较为完整和解剖相似性较高的模型。针对重建的膝关节模型，采用目前临床普遍应用的PFC固定平台人工膝关节，与前者在CAD环境下模拟切骨和装配，从而构成了TKA术后的人体膝关节几何解剖模型。
　　建立了自然膝关节屈曲运动的动态有限元模型。在模型的仿真分析中，采用了三种股四头肌的加载方式：单束股四头肌加载；将股四头肌分为三束进行同时加载；将股四头肌分为三束，且进行不同肌肉束的延迟加载。分析得出了三种股四头肌的加载方式下的自然髌股关节的生物力学参数。并通过与先前文献进行验证分析得出了三束肌肉的延迟加载方式更加符合人体生理的加载条件。分析得出了在该加载条件下，自然髌股关节下蹲动作高屈曲状态下的生物力学参数。
　　根据人体解剖参数、膝关节下蹲运动的载荷边界条件，设计了一套可以实现模拟膝关节下蹲运动且可以实现髌股关节生物力学参数测量的实验平台。该实验装置可以将股四头肌分为三束进行同时和延迟加载。该装置可以同时测量髌股关节和胫股关节的生物力学参数。
　　建立了后稳定型假体（PFC）置换后膝关节屈曲运动的动态有限元模型。在模型的仿真分析中，将股四头肌分为三束肌肉，且采用三束肌肉延迟加载的方式。分析得出了假体置换后髌股关节生物力学数据。将得出的数据和自然膝关节相关数据进行对比研究，提出了改善PFC假体设计和TKA手术的建议。
　　本文所建立的自然膝关节解剖模型可以用来做植入假体的几何仿真和有限元力学分析。所设计的实验装置能够同时对髌股和胫股关节进行生物力学测量。有限元分析中所采用的将股四头肌分为三束肌肉，且采用三束肌肉延迟的加载方式更加符合人体生理加载。在以后的膝关节实验和仿真模拟中，采用该加载方式能够对膝关节的运动、接触力学行为进行更加准确的测量和评估，从而为临床 TKA 手术和膝关节假体的设计提供有力的分析工具。研究结果可以为膝关节病理、康复研究以及人工膝关节假体设计提供参考。

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1 引言

1.1 髌股关节生物力学研究的意义

1.2 膝关节国内外研究现状

1.3 髌股关节国内外研究现状

1.4 课题来源及选题依据

1.5 研究内容

2 人体膝关节解剖结构和几何建模

2.1 引言

2.2 膝关节的解剖结构及其功能

2.3 自然和TKA置换后膝关节几何解剖建模

2.4 本章小结

3 髌股关节生物力学特性分析基本理论

3.1 引言

3.2 有限元方法基本理论

3.3 有限元分析的基本步骤

3.4 有限元的非线性分析

3.5 位置、姿态与坐标系

3.6 坐标变换和齐次变换

3.7 本章小结

4 人体膝关节髌股关节生物力学体外实验装置设计

4.1 引言

4.2 实验装置设计要求

4.3 实验装置设计所需设备及背景技术

4.4 实验装置具体设计

4.5 本章小结

5自然膝关节有限元仿真及髌股关节生物力学特性分析

5.1 引言

5.2 自然膝关节有限元建模

5.3 自然膝关节有限元仿真及结果

5.4 自然膝关节及其髌股关节生物力学特性分析

5.5 本章小结

6 人工膝关节髌股关节生物力学特性仿真分析

6.1 引言

6.2 全膝置换有限元模型的建立

6.3 人工膝关节有限元仿真及结果

6.4 人工和自然髌股关节仿真结果对比分析

6.5 髌股关节生物力学特性分析与TKA

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 展望

参考文献

作者简历

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