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《太原理工大学》 2009年
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全膝关节在不同运动状态下的有限元仿真研究

郭媛  
【摘要】: 膝关节是人全身最大、最复杂的关节,位居髋关节和踝关节之间,是下肢活动的枢纽。它的任何一个主要组成部分的损坏都会引起膝关节的反常运动,久之软骨和半月板由于磨损、变性而形成骨性关节病,从而严重影响得病者的正常活动。包括膝关节骨关节病、髋关节骨关节病在内的各类骨关节病其发病率随年龄的增长而不断增高。据统计,50岁以上的人群中,50%患有骨关节病,65岁以上的人群中,90%的女性和80%的男性患有此病。骨关节疾病严重地影响了老年人的生活质量,甚至对他们的生命构成了威胁;老年患者不仅饱尝病痛的折磨,同时也给家庭和社会带来许多负担。目前,随着经济的发展,生活水平的日渐提高,骨性关节病也开始趋向低龄化,将来越来越多的人会受到骨性关节病的困扰。 鉴于膝关节的重要性及相关疾病的危害性,人们对其解剖结构与相应的生物力学特性的研究也越来越深入和广泛。通过对正常和病变膝关节的对比研究和分析,不但可以更好地阐明膝关节疾病的发生机制,而且还可以指导相关疾病的治疗及康复。但由于膝关节自身解剖结构的复杂性、组成材料性质的多样性、运动形式以及各组成部分载荷分配情况的复杂性,因而人们目前还不能对膝关节的各种生物力学性质及行为做出准确的描述。 经过将近四十年的发展,有限元方法已经成为目前国际上进行肌肉—骨骼系统计算力学分析的主要手段,但由于膝关节处所涉及的关节面、韧带、肌肉众多,建立完全的有限元模型由于过于复杂而不易研究。目前的研究主要集中在组成膝关节的骨骼和主要韧带,但包括膝部各骨骼和主要韧带的三维有限元模型研究还较少。 鉴于此,本文的主要工作是进行了下蹲和步行运动过程的拍摄,通过实验得到了下蹲过程中人体的足底受力情况,确定了在下蹲过程中股四头肌的力矩;建立包括膝部各骨骼和主要韧带的三维有限元模型,通过有限元仿真方法,研究膝关节在不同运动的情况下(包括下蹲、步行等运动),膝关节各关节及韧带的应力分布。 具体内容包括以下几个方面: (1)建立简化的股骨、胫骨及半月板的生物力学模型,初步估算了股骨、胫骨软骨关节面接触时,接触面上的接触压力和股骨、半月板接触时的接触压力。并着重对软组织的生物力学特性进行分析,给出了韧带的材料特性、初始应变等数据。进行了下蹲和步行运动过程的拍摄,得到了运动过程中各关节角度的变化曲线;同时实验测量了下蹲过程中人体的足底受力情况,确定了在下蹲过程中股四头肌的力矩; (2)从生物力学角度,基于一名志愿者的膝部CT扫描图像,建立了包括完整股骨、胫骨、腓骨、髌骨,及膝部各主要软骨、韧带的三维有限元模型,通过与其它理论模型、实验、有限元模型的结果进行比较分析,证实了该模型的合理性、有效性; (3)利用已建成膝部的三维有限元模型,计算并分析了双腿站立、下蹲和步行运动作用下膝关节各部位和韧带的应力分布,探讨了载荷和运动耦合的情况对接触压力分布的影响。可以看出在0°~90°的屈膝运动中,随着屈膝角度的增大,各软骨和半月板上的接触压力峰值也随之增大,相对于内侧半月板,外侧半月板峰值变化不大,且内侧半月板的压力值大于外侧半月板的。在步行运动中,ACL比其他韧带的张力值大; (4)双腿站立时各软骨和半月板上的接触压力峰值最小,深度屈膝90时,各接触压力峰值最大,单腿支撑时压力峰值略大于脚跟着地状态; 综上所述,本文建立了膝关节周围所有完整骨骼、主要韧带的三维有限元模型,引入髋、踝关节的运动形态学数据,从股骨顶端加载来研究膝部各关节面接触力及韧带的应力分布。通过与其他学者的研究数据比较,证实了该模型的合理性和有效性。本文的研究结果为个体化人膝关节的三维建模和在体生物力学研究提供了可操作的平台;也为进一步深入了解膝部各部件在力载荷作用下的生物力学行为和功能效应提供参考依据;对于了解日常活动对膝关节的影响具有重要的意义;以及对今后发展膝关节置换术及其临床应用具有重要的学术意义和应用价值。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:R687.3

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