步态周期下各级骨关节炎软骨力学行为的数值分析

摘要

背景:各级骨关节炎软骨的力学环境对骨关节炎发展的进程具有一定的影响,计算机模拟仿真提供了一种量化膝关节软骨力学环境的方法,使利用有限元技术来研究各级骨关节炎软骨的力学行为成为可能.目的:通过数值模拟对比研究健康成人与各级骨关节炎患者在步态周期下软骨的应力分布及软骨内液体流速变化的规律,探索骨关节炎患者步态周期下的力学行为.方法:通过CT和MRI扫描得健康成年人膝关节数据,应用软件Abaqus建立全膝关节三维有限元模型.通过Hypermesh划分全膝关节网格,再设定全膝关节内部各部件间绑定关系及相互作用,最后通过改变软骨的材料属性及调整各相的时长和股骨与胫骨平台间的夹角来实现模型中对健康成人与各级骨关节炎软骨载荷及边界条件的设定.结果与结论:①模拟结果表明,在步态周期内股骨软骨和胫骨软骨的平均Mises应力和软骨内液体流速变化的曲线均为先增大后减小;②相比于健康成人,各级骨关节炎患者随病程加重,软骨的Mises应力持续减小,软骨内液体流速则先增大,当发展到3级骨关节炎流速则减小;且各级骨关节炎软骨的Mises应力和液体流速的变化范围也减小;③因此,随着骨关节炎病程持续发展,患者在步态周期下软骨的内液体流速增大、Mises应力减小及关节表面应力变化范围减小,从而导致关节承重和缓震能力减弱.