本文關鍵詞：膝關節(jié)內側副韌帶生物力學的有限元分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目的:通過建立膝關節(jié)的三維有限元模型(Finite element model,FEM),分析膝關節(jié)內側副韌帶(Medial collateral ligment,MCL)淺層和深層的生物力學功能。方法:選取組織完整的冰凍新鮮人體膝關節(jié)標本10側,解剖出MCL,測量并記錄膝關節(jié)內側副韌帶淺層(Superficial medial collateral ligment,SMCL)、內側副韌帶深層(Deep medial collateral ligment,DMCL)厚度。選取一位健康男性志愿者,年齡27歲,通過X線檢查確認右膝關節(jié)無病變。分別采用64排螺旋CT和3.0T MRI設備對該志愿者的右膝關節(jié)于伸直位進行掃描。將掃描數(shù)據(jù)信息以DICOM格式導入交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)MIMICS14.0,分別對股骨中下段、脛骨中上段、腓骨中上段、髕骨以及前交叉韌帶(Anterior crueiate ligament,ACL)、后交叉韌帶(Posterior crueiate ligament,PCL)、內側副韌帶、外側副韌帶(Lateral collateral ligament,LCL)、髕韌帶(Patellar ligament,PL)、半月板進行三維重建,獲得膝關節(jié)骨組織、韌帶及半月板模型。將以上模型以STL格式導入到自動化逆向工程軟件Geomagic Studio12.0中,對模型進行裁剪、封閉、偏移、膨脹、布爾減運算等處理,分別得到更為精細的模型文件,并按照內側副韌帶淺深兩層的長、寬、厚解剖結構,運用裁剪、拉伸、布爾減運算等功能將淺、深兩層分割開,得到兩者的精細模型。將以上各精細模型文件再以STL格式導回MIMICS14.0軟件中,在此軟件3-matic模塊中進行初步網格劃分。建模成功后,將模型中的骨組織、韌帶及半月板以ANSYS前處理文件cdb格式導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中,對模型進行組裝,并賦予各材料屬性。設定各韌帶起止點與骨之間、內側副韌帶淺深兩層與半月板之間的接觸定義為綁定接觸(Bonded),其他部位的接觸方式均定義為不分離接觸(No separation)。并重新對模型進行網格劃分,各部分均采用五面體與六面體交互式網格劃分,共獲得節(jié)點877070個,單元354003個。約束股骨上端全部6個自由度,在模型上施加脛骨的前后向力、外翻及內外旋力矩,分別觀察在MCL完整、SMCL缺失、DMCL缺失、MCL全部缺失時,脛骨的位移或偏轉角度以及內側副韌帶淺層、深層的應力大小和分布情況。結果:1在134N前向力作用下,脛骨位移由MCL完整時的4.89mm變?yōu)镾MCL缺失后的5.17mm、DMCL缺失后的5.04mm、MCL全部缺失后的5.17mm。且ACL的應力峰值最大,SMCL的應力峰值較大,DMCL的應力峰值較小。ACL的應力峰值主要集中在股骨止點處,SMCL的應力峰值也主要集中在股骨止點處,DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。2在134N后向力作用下,脛骨位移由MCL完整時的4.98mm變?yōu)镾MCL缺失后的4.99mm、DMCL缺失后的4.92mm、MCL全部缺失后的5.02mm。且PCL的應力峰值最大,SMCL的應力峰值較小,DMCL的應力峰值很小。PCL的應力峰值主要集中在起止點處,SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處,DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。3在10N.m的外翻力矩作用下,脛骨外偏角度由MCL完整時的4.06°變?yōu)镾MCL缺失后的6.08°、MCL缺失后的4.86°、MCL全部缺失后的6.22°。且SMCL的應力峰值最大,DMCL的應力峰值次之,ACL及PCL的應力峰值較小。SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處及前部,DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。4在10N.m的外旋力矩作用下,脛骨外旋角度由MCL完整時的5.92°變?yōu)镾MCL缺失后的5.95°、DMCL缺失后的5.94°、MCL全部缺失后的6.10°。且SMCL的應力峰值較大,ACL及PCL的應力峰值相對較小,DMCL的應力峰值很小。SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處及后部,DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。5在10N.m的內旋力矩作用下,脛骨內旋角度由MCL完整時的6.64°變?yōu)镾MCL缺失后的7.48°、DMCL缺失后的6.72°、MCL全部缺失后的7.57°。且SMCL的應力峰值較大,ACL及PCL的應力峰值相對較小,DMCL的應力峰值很小。SMCL的應力峰值主要集中在股骨止點處,DMCL的應力峰值主要集中在起止點處。結論:1利用健康人體膝關節(jié)CT、MRI影像數(shù)據(jù)及MIMICS、Geomagic和ANSYS等軟件可以建立人體膝關節(jié)的三維有限元模型,并保持膝關節(jié)各解剖結構的真實性。2通過建立的膝關節(jié)三維有限元模型,模擬膝關節(jié)前后平移、外翻和內外旋運動,可以有效地分析膝關節(jié)內側副韌帶的生物力學功能。并可以得知:在膝關節(jié)伸直位時,膝MCL的主要作用是抵抗膝關節(jié)外翻運動,并對脛骨向前移位、膝關節(jié)內外旋運動也有限制作用,而在膝關節(jié)內側副韌帶結構中起主要作用的是SMCL,DMCL的作用較弱。在膝關節(jié)各種運動中,SMCL在股骨止點處是最容易損傷的,SMCL前部在抵抗外翻運動時也較容易損傷,SMCL后部在抵抗外旋運動時也較容易損傷,而DMCL損傷的風險較低,如果發(fā)生,損傷多發(fā)生在起止點處。
【關鍵詞】：膝關節(jié) 內側副韌帶 生物力學 有限元 模型
【學位授予單位】：河北醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R684;R318.01
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-11
• 英文縮寫11-12
• 前言12
• 材料與方法12-16
• 結果16-18
• 附圖18-27
• 附表27-32
• 討論32-37
• 結論37
• 參考文獻37-42
• 綜述42-49
• 參考文獻46-49
• 致謝49-51
• 個人簡歷51

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

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  本文關鍵詞：膝關節(jié)內側副韌帶生物力學的有限元分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：400953