基于CT和MRI膝關節有限元模型建立與不同載荷下生物力學特性分析

杭聲琪，張文韜，王泰淇，任建澄，李富超，趙改平，馬童

1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093；2.上海理工大學環境與建筑學院，上海200093；3.同濟大學附屬楊浦區中心醫院骨科，上海200090

前言

膝關節是人體下肢活動的樞紐關節，其解剖結構和運動功能比較復雜，脛股關節和髕股關節通過肌肉、肌腱和韌帶連接組成，保證膝關節運動的穩定性和靈活性。膝關節在運動中承受較大載荷，是易發生損傷和病變的部位，對膝關節生理病理和治療機制的研究一直備受醫生和學者們的關注。隨著計算機技術和數值計算方法的快速發展，采用有限元方法研究膝關節的生理功能、損傷預防和治療成為重要的輔助手段。

采用有限元方法研究不同載荷下骨骼、韌帶及半月板的生物力學特性一直是眾多臨床和科研工作者研究的熱點。如Bendjaballah等［1］研究正常膝關節施加5、10和15 N·m 內外翻力矩時，股骨旋轉角度和前后交叉韌帶張力的生物力學特性。Li 等［2］建立了正常膝關節的有限元模型，在脛骨上加載從0到10 N·m內旋外旋力矩，研究脛骨內旋和外旋角度的變化。Gardiner等［3］建立膝關節屈曲0°、30°、60°的有限元模型，施加10 N·m 外翻力矩，研究內側副韌帶的應變情況。Liu 等［4］在股骨上施加10 N·m 內翻外旋力矩，研究后交叉韌帶重建的膝關節內翻外旋角度。Vairi等［5］建立膝關節正常、韌帶缺失和重建的有限元模型，在股骨上施加1 150 N 壓縮力、134 N 抽屜力以及10 N·m 外翻力矩，分析前交叉韌帶斷裂與重建后膝關節的力學特性。Luczkiewicz 等［6］建立了正常膝關節有限元模型，在股骨上施加1 000 N載荷，研究擠壓變形后不同橫截面半月板的應力變化情況等。……