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膝关节矢状面弹性接触特性分析

伍战容  
【摘要】:膝关节是人体最大最复杂也是最易损伤的关节之一。它由股骨远端,胫骨近端和髌骨组成,包括股胫关节和髌股关节,同时附着在它们上的韧带,关节囊和半月板组成了关节的稳定结构。在日常生活中,膝关节是最易受累的关节,不仅要支撑着人体的重量,而且要做屈、伸、内收和外展及少许旋转等复杂的三维运动。作为人体最重要的关节之一,膝关节接触情况的研究对于帮助人们了解关节的真实运动,分析各种动作中关节受力,发现关节损伤及关节退行性改变的机制,正确地指导膝关节各类伤病的康复,指导膝关节假体置换定位等都具有重要意义。 本文基于膝关节的生理解剖结构,通过商用有限元分析软件ABAQUS建立了包含股胫和膑股关节的二维矢状面有限元接触模型,模拟了自然和人工膝关节在0°-90°屈膝过程中的二维弹性接触,研究了有无覆盖关节软骨和不同关节置换材料对膝关节中股胫关节接触包括股胫关节接触线及胫骨应力等生物力学参数的影响,对得到的各种应力曲线进行分析,做出了合理的解释。结果表明:由于自然关节覆盖着软骨层,使得膝关节获得一种摩擦系数比最好的人工材料要低许多倍的低摩擦抗磨损的支撑面的摩擦力,在屈膝过程中增大了股胫关节的接触线,减小了股骨屈膝所需要的力矩和胫骨应力,从力学角度解释了膝关节软骨对膝关节的保护作用,从而更加真实地描述了膝关节的力学接触机制。人工膝关节中,当胫骨采用相同的材料保证股胫关节相等的摩擦系数时,胫骨所承受的各种应力与股骨替代物的成分没有关系。当股骨替代物与骨的弹性模量愈接近,则人工关节的受力机制与自然关节愈接近。 本文对模拟过程中应用到的非线性、有限元基础知识和各种超弹性材料模型的本构方程也进行了简单的介绍,阐明了非线性和线性分析的主要区别。


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