运动力学对线的人工膝关节有限元建模和生物力学研究

摘要

研究背景:
　　膝关节是人体下肢的枢纽关节，其复杂组织解剖结构、运动模式和所处的力学环境及其功能要求使其易受创伤和骨性关节炎等疾病累及，伤病发生率居各关节之首。
　　人工全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty，TKA或Total Knee Replacement，TKR)是采用手术的方法将病损的膝关节负重面替换为人工关节材料，从而消除膝关节疼痛、恢复下肢生理力线、改善膝关节活动功能。TKA是骨科最成功的经典手术之一，它使过去只能依赖药物缓解疼痛无法长距离行走，甚至只能截肢的患者恢复了行走功能，大大改善了患者的生活质量。
　　TKA不仅仅是骨的手术，更是软组织的手术，下肢力线精确重建、假体位置正确安置是影响术后关节功能和假体使用寿命的重要因素，对评估手术成败和术后疗效有重要的参考价值。为了提高TKA术中下肢力线重建的准确性，大量的医疗卫生资源和研究精力被投入到术中计算机辅助导航技术和个体化手术工具(patient specificinstrument，PSI)的研究中。人工全膝关节置换领域传统的观点认为TKA术后患者下肢力线应重建至与中立位力线偏差小于3°的位置。近年来有很多术后随访研究发现TKA术后重建的下肢力线无论是否与中立位力线偏差在3°以内，患者术后的人工关节假体生存率并无显著差异。这些研究结果让研究者们开始思考TKA对线标准是否存在不足，Howell等一些学者更进一步提出了运动力学对线TKA(KinematicalAlignment TKA，KA-TKA)概念，即TKA应以患者膝关节正常状态的或病损前状态的运动轴为对线、定位参考进行截骨、假体安置，从而在术后使人工膝关节尽可能的模拟人体膝关节正常的生物力学状态。目前KA-TKA成为关注的热点是因为经典的MA-TKA术后出现了较高的不满意率。从理论上说，相对于MA-TKA的机械力学对线方式，KA-TKA的运动力学对线方式能最大程度的恢复患者的膝关节生物力学和运动力学环境，从而获得更好的手术效果和临床疗效，但目前相关临床和基础研究还远远不足以充分的证明这一观点，KA-TKA是否更具优势，尚需进一步研究验证。
　　第一部分:人体膝关节和人工膝关节真几何模型和有限元模型的建立
　　目的:建立人体膝关节和TKA假体仿真几何模型和有限元模型，为进行膝关节和TKA术后的生物力学分析建立基础。
　　方法:选择一名健康成年人志愿者，使用CT进行左侧下肢全长扫描，MRI进行膝关节扫描，获取医学影像数据，利用Mimics15.0、UG NX7.0、ABAQUS6.8等图像处理分析软件和有限元分析软件，重建了人体膝关节仿真几何模型，在此几何模型基础上，运用有限元软件构建膝关节的有限元模型。利用逆向工程技术和GeomagicStudio9.0软件将施乐辉公司(Smith& Nephew Inc.)GenesisⅡ后稳定型人工全膝关节假体的外形扫描数据重建为几何模型，将其和膝关节模型进行装配，获得人工全膝关节置换术后膝关节几何模型和有限元模型。
　　结果:建立了适用于进行膝关节和人工全膝关节置换术后生物力学分析的解剖型仿真几何模型和有限元模型。
　　结论:本研究利用CT、MRI影像数据和逆向工程技术所建立的人体膝关节和人工膝关节假体仿真几何模型和有限元模型，与人体膝关节解剖结构一致，可逼真的重现膝关节的真实结构，用于TKA手术仿真、模拟并进行生物力学分析。
　　第二部分:运动力学与机械力学对线的人工膝关节生物力学分析
　　目的:有限元分析比较运动力学对线和机械力学对线的人工全膝关节置换术术后生物力学特性，重点探讨两种对线方式下人工关节接触面的应力和应变情况。
　　方法:随机选择12名健康成年人志愿者，根据第一部分的建模方法，获取志愿者左侧膝关节仿真几何模型和有限元模型，选择合适大小的人工全膝关节假体，按运动力学对线方式和机械力学对线方式分别进行虚拟截骨、假体安装，通过有限元分析软件仿真单足站立情形施加载荷，观察人工关节假体接触面的最大应力和最大应变情况。
　　结果:按机械力学对线(MA)方式放置安装假体后，股骨假体接触表面最大应力为38.25±2.66MPa，按运动力学对线(KA)方式安置假体后，最大应力减小为30.37±2.76MPa，差异具有统计学意义，P＜0.05。在超高分子聚乙烯垫片表面，MA方式时最大应力为12.07±1.67MPa，KA方式时最大应力减小为8.14±2.49MPa，差异具有统计学意义，P＜0.05。在MA方式下股骨假体接触表面最大应变为1.51×10-4±1.09×10-5mm，KA方式时最大应变为8.18×10-5±1.05×10-5mm，小于MA方式时的形变，差异具有统计学意义，P＜0.05。在超高分子聚乙烯垫片表面，MA方式时最大应变为3.43××10-3±5.12×10-4mm，KA方式时应变减小，为2.10×10-3±3.86×10-4mm，差异具有统计学意义，P＜0.05。
　　结论:与传统机械力学对线方式相比，按运动力学对线方式进行人工全膝关节置换术可降低股骨假体和胫骨聚乙烯衬垫表面的最大应力和最大应变，使人工关节接触面压力分布更均匀，从而减少关节接触面的磨损，延长假体寿命。

目录

声明

摘要

缩略词表

绪论

第一部分 人体膝关节和人工膝关节几何模型和有限元模型的建立

一、材料与方法

二、结果

三、讨论

四、小结

第二部分 运动力学和机械力学对线的人工膝关节生物力学分析

一、材料与方法

二、结果

三、讨论

四、小结

第三部分 全文总结和展望

一、本文工作总结

二、主要贡献和创新点

综述 人工全膝关节置换术中假体定位参考轴的研究现状

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢

袁伟个人简介