有限元分析不同屈曲状态下胫-股关节的生物力学变化

摘要

背景:三维有限元模型有助于人们对膝关节损伤机制和力学特性的分析,但动态模拟膝关节运动的研究较少.目的:建立正常的男性膝关节三维有限元模型,动态模拟膝关节运动并析膝关节在不同屈曲状态下受力后,胫-股关节的力学特性和相对运动,为膝关节生物力学的研究提供有三维限元模型,并为膝关节的个性化假体设计和3D打印提供指导.方法:对1名健康男性的膝关节进行CT扫描,然后通过Mimics,Hypermesh和Abaqus等软件,构建正常的膝关节三维有限元模型.并对其施加不同载荷进行仿真及应力分析.结果与结论:①实验构建的膝关节有限元模型,能够准确地体现膝关节的几何结构和生物力学特性,可模拟膝关节的多种运动,并有效进行膝关节生物力学的研究;②模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,外翻的角度范围为3.34°-6.13°;内旋角度范围为1.56°-29.17°;股骨相对胫骨有明显的后移,其范围是4.36-7.23 mm;③股骨软骨、胫骨软骨和半月板在0°的最大接触应力分别为1.45,1.03和2.59 MPa;而60°的最大接触应力分别为6.41,6.73和8.65 MPa;④上述数据说明,在模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,膝关节外翻的角度范围较小,相对稳定;而膝关节内旋角度范围相对较大.股骨软骨和胫骨软骨的接触应力随着屈曲角度的增大而逐渐增大;内、外侧半月板的接触应力变化不同,内侧半月板的接触应力变化较大,相反外侧半月板的接触应力相对平稳,变化较小,且内侧半月板的接触应力大于外侧半月板的接触应力.