（工程力学专业论文）膝关节力学性态的动力学模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 生物力学是力学与生物学、生理学、医学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的 一门边缘交叉学科。它是解释生命及其他活动的力学，它从生物个体、组织、器官到细 胞和分子不同层次研究应力与运动、变形、流动及生长的关系。 关节炎是一种很常见的骨科疾病，其中膝关节炎患者占大多数。目前治疗关节炎最 有效的手段就是进行人工关节置换，然而由于对膝关节的力学性态认识上的不足，医学 界在膝关节手术上存在很多的分歧，如韧带损伤的治疗方案，假体的选择及摆放角度、 手术中髌骨的处理等。人工膝关节置换术2 0 年的翻修率高达1 5 2 0 左右，因此降低假 体翻修率、优化假体设计等问题已经变得十分重要和突出。 由于膝关节结构的包裹性，使得在体测量膝关节及其韧带的受力情况变得非常困 难，因此人们发展了许多数学模型。然而由于这些模型比较简单，大都没有考虑韧带， 肌肉与骨骼的相互作用，且大多是二维模型，有些三维模型并非基于真实的关节形状， 并且计算结果相差很大。对于平地行走，弯曲，爬楼梯等典型的日常活动的动力分析尚 没有统一的结论。 本文的主要研究目的就是对膝关节的动力学特性进行数值模拟，包括平地行走，弯 曲等典型的日常活动过程。并且分析了在不同的运动中韧带缺损对膝关节力学性态的影 响。本文的研究可以加深对膝关节力学性态的认识，为膝关节手术中韧带的处理提供理 论指导。在本文的研究中，通过应用美国b r g 公司的生物力学建模与动力学仿真分析 软件l i f j m o d ，建立了人体下肢的动力学模型。并用该模型分析了人体在平地行走、下 肢弯曲等运动过程中膝关节的动力学特性，并对这些运动过程中膝关节部分韧带缺损造 成的影响进行了动力学分析。建立的膝关节模型包括股骨、胫骨、髌骨，四条主要韧带 ( a c l ，p c l ，m c l 和l c u 及下肢主要肌肉。 通过动力学分析表明，在下肢弯益时，膝关节的最大接触力大小为2 7 4 7 n ，最大韧带 张力大小为4 9 2 n ，发生在l c l 上；在平地行走时，膝关节的最大接触力大小为2 6 4 4 n ， 约为人体重的2 9 9 倍( b w ) ，最大韧带张力大小为5 9 5 n ，发生在m c l 上。通过与参考 文献比较，我们的计算结果与之基本相符，证明了我们的模型和方法的可靠性。 关键词：膝关节；三维模型；动力学；生物力学 膝关节力学性态的动力学模拟 d y n a m i cs i m u 】a t i o no f k n e e j o i l l t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a b s t r a c t b i o m e c f l a 血c si sm e c h a n i c sa p p 王i e dt ob i o i o g y b i o m e c h a n i c si sam a r g 曲a la 工l dc r o s s e d d i s c i p l i i l e ，w 1 1 i c hi sf o m l e da sar e s 山to fc o m b i l l 撕o na n dc o n v e r g e n c ea fm e c i l a 血c s ，b i o l o g y ， p h y s i o l o g ya n do 廿1 e rd i s c i p l h b i o r n e c h a n i c ss e e k st ou i l d e r s c a n d 也em e c h a 血c so fh v 扭培 s y s t i 珊s ，f r o m 也ev i e wo fl i f ei n m v i d l l a l ，石s s u e ，o 唱a 工l ，c e l la 1 1 dm e 啪f e 姗tm b e r a r c h yo f m o l e c u l e ，i ts t u d i e s 血e 嘲撕0 1 1 sb 帆e ns 缸s sa r l dn i o t i o 玛d i s c o m o i l ，f l o 、ma n dg r o w 吐1 a m l t i si sac o m m o no m l o p 钾d i cd i s c a s e ，e 印e c i a l l yf o rm ek n e e n o w 廿l em o s td r e c t i v e s u r g i c a l 廿e a t m e mi st od om e j o i n 印l a c e m e n ts u r g e r 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ni nn o r m a lg a i ta n db e n d i n gd y n 吼i c a l l y ，a n dt h ee f b c t so f a c l - d e f i c i e n c ya n dp c l d e f i c i e n c va i a l s oc o n s i d e r e d a f t e r 也ed y n a m i cs i m u i a t i o n ，( 1 ec o n t a c tf o r c eb e t w e e nt h et i b i o f e m o r a li o h ta n d l i g a m e n t st c n s i l ef b r c eb o mi nn o m 试g a i t 缸db e n d i n ga r eg o t t c n d u r 血gt h eb e n d i n 昏t h e m a x i m 啪c o n t a c tf o r c ei s2 7 4 7 n ，a b o u t3 1 0 b w ( b o d yw e i 曲t ) ，a 1 1 d 也em “i m u m l i g a m e n t t e n s i i ef o r c ei s4 9 2 n ，w h i c hh a p p e n e di 1 1 恤el c ld u 血培t 1 1 ew a l k i n 岛t h em a x i m u i nc o m a c t f o r c ei s2 6 4 4 n ，a b o u t2 9 9 b w ，a n dt h em a ) ( i m u ml i g 姗e n tt e n s i l ef o r c ei s5 9 5 n ，w h j c h i i 大连理工大学硕士学位论文 h 印p e n e di n t h em c lo u rr e s m t sa r ec o n s i s t e n t 谢恤t h el i t e r 咖r ea n dt h em o d e l 、v a s r e l i a b l e k e yw o r d s ：k n e ej o i n t ；3 dm o d e l ；d y n a m i c ；b i o m e c h a n i c s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：围垒! 塾 导师签名：i ! 量亟 三竺! 年生月笪日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 生物力学是应用于生物学的力学，它是一门介于生物学和力学之间的新兴交叉学 科。它研究生物体及其组织、器官的生长、运动和变化规律的力学问题【l 】。力学与有机 体的关系，如同它跟传统工程的关系一样：工程师不仅正在对建立医学工程、康复工程 和遗传工程做出贡献，而且正在对研究生理学、病理学、细胞生物学做出贡献。有机体 的确有一些独特的、在传统的工程中未发现的性质，这些性质包括生长、变化和生殖的 能力，包括衰老和死亡的过程，包括存在一个极复杂的反馈和控制系统。在生物力学领 域，许多事物仍然是未知的，或未被人们充分了解的，或不能控制的，而生物力学这个 领域的吸引力就体现在这些方面。生物力学将会由于其对生命科学的重大贡献而产生不 可估量的社会效益【2 。就有关人体的生物力学而言，生物力学将帮助我们了解人体及脏 器的正常功能，以及在外载荷作用下各种效应的发生与发展规律，预示器官、肢体等迸 一步变化，从而提供人工控制方法与预防措施。 生物力学对生命和医学科学的很多方面都起着很重要的作用，它将不仅为诊断学、 内科学和外科修复手术提供新技术的理论依据，同时也将为人类更健康地生活提供指导 原则。通过对生物力学的研究，我们可以用力学分析的手段去了解、学习、利用、治疗、 保护、改进并配合创造生物【2 j 。 生物力学作为一门新兴的边缘学科，近年来已经有了很大的发展。由于生物组织器 官乃至生物整体系统运动的复杂性，难以用一种统一的方法进行研究。对人体组织，如 骨、软骨、皮肤、血管、系膜、肌肉、角膜等的生命力学研究，一般进行离体或在体实 验研究；对人体器官来说，例如耳、眼、心脏、颅脑等，需要了解它们的工作原理、功 能水平、耐受性特征，以及各种病变发生的有关力学的因素和防御办法；还有一大类是 血液的流动，需要了解血液在心脏内、在流过瓣膜时，以及在主动脉中是如何流动的【”。 本文主要是介绍骨力学中有关膝关节的部分。 1 1 膝关节的现状 据初步调查，在我国风湿病发病率很高，包括类风湿关节炎，强直性脊柱炎，骨性 关节炎等，其中类风湿关节炎的发病率约为o 3 ，骨关节炎的发病率约为3 【3 】。按我 国1 3 亿人口计算，上述两类关节炎患者就分别有3 9 0 万和3 9 0 0 万之多。患者中出现严 重关节畸形需要外科治疗的大约有3 0 0 万人，其中又以膝关节畸形最多，严重妨碍了此 类患者的行走功能。目前，治疗关节炎最有效的办法就是进行人工关节置换。美国在1 9 9 2 年为骨关节炎病人做了3 0 万例人工关节置换手术，如果按照这个比例，我国可能有1 0 0 膝关节力学性态的动力学模拟 万到2 0 0 万骨关节病人需要做此置换手术。膝关节是人体下肢的主要关节，其结构和功 能是人体关节中最复杂的，运动刨伤及疾病的发病率也位居全身所在关节之首，尤其是 近年来，随着我国体育运动的普及，竞技强度的提高，膝关节运动损伤的发病率里逐年 增高趋势。根据美国骨与关节杂志1 9 9 4 年的报告材料口】，美国年人工膝关节置换例 数已达2 0 万例，并且以每年2 0 多的比例增加。 经过一百多年的不断探索，人工膝关节置换技术得到了很大的发展，在减轻病人痛 苦，恢复病人正常生理活动方面起到了很大的作用。然而由于我国的运动医学发展水平 相对滞后，对人工关节技术的研究开展较晚，对膝关节的力学性态研究不够充分，致使 在关节疾病治疗及关节置换手术中存在着很大的问题和分歧，例如针对各种韧带损伤， 使进行手术治疗还是保守治疗观点不一，且治疗方法混乱，各持己见却又缺乏相应的理 论根据；另外在膝关节置换手术中，还存在一些有争议的问题，如当后交叉韧带处于病 态状况时，保留后交叉韧带的膝关节置换手术是否能获得预期的效果? 不同的胫骨后倾 截骨角度及股骨外旋截骨角度将会对手术后假体造成何种影响? 作全膝关节置换时，是 否置换髌骨? 假体的选择、假体摆放角度、手术中膝关节韧带的处理、软组织平衡、骨 质疏松等因素对手术后膝关节的活动轨迹，应力变化、接触区域、假体松动等有何影响 尚没有很好的检测手段，也很难提出令人信服的理论解释和解决办法：并且随着全膝关 节置换数量的增加，假体周围骨折的发生率也有增高趋势，主要包括骨踝上骨折，胫骨 骨折及髌骨骨折。摔伤等轻微晚上是发生骨折的常见原因，造成骨折的危险因素主要有： 假体位置不当导致的应力遮挡和骨质疏松，手术中操作不当及手术后锻炼不当等。目前 在人工膝关节置换手术中，由于缺乏相应的理论依据，医生的手术水平及经验对手术成 败起到了关键作用。 在我国，目前进行关节置换的假体大都是从国外进口，而由于人种的差异，国外的 假体并不太适合国人。据调查，入工膝关节置换术2 0 年的翻修率高达1 5 - 2 0 左右。应 力遮挡是造成膝关节假体中股骨远端远期松动以及骨质疏松的一个重要因素，应力遮挡 引起假体松动和骨质疏松的主要原因是：由于假体的植入，改变了膝关节原有的力学环 境，使得原来由胫骨承担的载荷有一部分由假体来承担。根据著名的w o l f f 法则，骨是 功能适应性材料，当骨的外部力学环境改变的时候，骨的结构也会随着改变，即骨组织 重建，以适应新的力学环境。骨结构的改变包括内部结构的改变和外部形状的改变，外 部形状的改变会导致假体松动，内部结构的改变会导致骨质疏松，从而引起骨折，给患 者带来巨大的痛苦。利用有限元数值模拟手段，可以很好的模拟膝关节假体股骨远端的 应力遮挡效应，并可以模拟假体材料及尺寸对应力遮挡效应的影响程度，从而指导医生 选择合适的假体，最大限度地降低假体松动率和骨折发生率。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 膝关节的结构和研究方法 人体是有生命的活的组织，骨骼是功能适应性材料，其结构和功能都随着力学、化 学等环境的改变而改变，而膝关节的功能又与周围骨骼、关节软骨、韧带、半月板、肌 肉组织等密切相关，缺一不可，所以无法用离体或者静态试验的办法测量膝关节在各个 部分的受力情况，通常的试验手法无法直接应用于膝关节，因此对膝关节的力学行为进 行数值模拟就成了深化对膝关节认识的一种有效手段。另外，数值模拟还具有时间短、 费用低、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点 4 】。近年来，随着生 物力学研究的深入，人们对膝关节各部分组织的了解也越来越透彻，建立了相应的本构 模型，并积累了大量的实验数据，使得对膝关节进行数值模拟和仿真分析成为可能。而 上述膝关节手术中的一些有争议的问题，也可望通过数值模拟手段给出更加全面的分析 和理解，并可指导人工膝关节置换手术，提出更加优化合理的手术方案，减小假体远期 松动率。 膝关节是由股骨踝，胫骨平台，髌骨，韧带，半月板，关节软骨，肌肉等共同组成 的，目前国内外的研究或者忽略了髌骨或韧带等的影响，或假定股骨远端为固定。其模 型基本都为静力或准静力模型，并且大都忽略了髌骨。而实际上膝关节的运动是很复杂 的，生物力学研究表明，在正常的步态周期中，膝关节运动不是一个单纯的铰链运动， 而是由一系列多轴心的三维运动组成，膝关节的运动是滑动和滚动的组合，而髌骨对关 节的影响是很重要的，随着置换病例的增多，与髌骨相关的并发症日益突出，几乎占全 膝关节置换手术后的并发症的5 0 左右。 膝关节的模型可分为物理模型，生物模型，有限元模型三种【5 1 。物理模型是一种虚 拟模型，这种模型仅模拟了真实膝关节的一些方面，大部分实验研究用物理模型来确定 其机械响应特性。生物力学模型则是满足一些像平衡方程等的物理定理，并且由一定的 数学关系式组成。生物力学模型又可以分为现象模型和解剖模型两种，现象模型没有考 虑膝关节的真实结构，而解剖模型则是考虑了形成膝关节各部分的解剖结构。解剖模型 又可分成运动模型，静力及准静力模型。膝关节的生物力学模型可以计算出殷骨与胫骨 的接触力，以及韧带的张力等，但生物力学模型是一种理想化的模型，有其局限性，对 骨骼作了刚性假定，无法计算出骨骼的变形情况以及接触区域的大小，对于人工关节的 应力分布情况更是无能为力。 有限元方法是一种成熟有效的数值计算方法，在现代工程技术中发挥了巨大的作 用，在生物力学和医学工程中也有成功的应用。自1 9 7 2 年b r e k e l m a i l s 等首先将有限元 法应用于骨科生物力学的研究以来，3 0 多年来发展迅速，已经渗透至生物力学，生物医 膝美节力学性态的动力学模拟 学工程研究的各个领域，特别是在骨科生物力学研究中有限元方法显示出了显著的优越 性。 1 3 膝关节的国内外研究现状 有限元方法应用于生物力学的研究虽然已经有3 0 多年的历史，而且渗透到生物力 学研究的各个领域，但是在膝关节上的应用却很少。国内对膝关节的研究大都集中在膝 关节内踩间的应力场分布上，如吴文周【6 给出了股骨远端，半月板，胫骨平台上的应力 分布情况；王以近【7 】对半月扳切除对膝关节应力的影响作了讨论。其膝关节的模型大都 是以二维模型为主，少量的膝关节三维有限元模型都作了很多的假定，帅玉妹等1 8 】建立 了下肢假体气压膝关节机构在站立相单腿承重载荷条件下的三维有限元计算模型；张美 超等 9 i 建立了股骨一胫骨复合体三维有限元模型，包括关节软骨，并用此模型进行了人体 在体重冲击的动力学相应分析，但没有考虑髌骨以及关节韧带等的作用。基于解剖的真 实全膝关节三维有限元模型方面，国内还没有见报道。 关于膝关节的生物力学模型方面，国内的研究工作，有代表性的是王西十等【l o 】建立 了股骨胫骨一髌骨三体的膝关节咬合运动数学模型；张培玉等【l l 】建立了多轴膝关节的生 物力学模型，并进行了稳定性分析。国内在膝关节实验方面的研究有：潘慧炬等【1 2 j 将膝 关节建华为单轴关节，测量了膝关节的最大运动幅度以及膝关节在运动过程中主要肌肉 的肌肉长度，力臂变化情况：于长隆等n3 j 实验研究了半月板切除对关节软骨的影晌情况； 李润等( 1 4 用光弹法分析了膝关节在屈曲状态下，股骨胫骨接触面的应力分布规律：云 大真等【l5 】通过对动物膝关节作侧向弯曲，冲击，压缩等试验，研究了膝关节破坏与损伤 的机理：孙明举等【l6 j 对国人正常膝关节的几何参数进行了测量。 国外在膝关节研究上领先于国内，在三维膝关节的有限元数值模拟方面已经取得了 一定的工作。j i a n gy a o 等【1 日利用m r i 技术建立了包括关节软骨和半月板在内的胫骨 股骨关节有限元三维模型，得到了在单轴载荷作用下关节软骨面上接触应力及接触区域 大小，但他的模型没有考虑髌骨，也没有考虑关节韧带的作用；w e i s s 等f 1 踟建立了包括 内侧副韧带在内的胫- 股膝关节三维有限元模型，并用不同的接触算法计算了副交叉韧 带及胫股接触面上的应力分布情况：j a s o n 等 1 9 】建立了包括四头肌、髌骨、后交叉韧带、 内侧副韧带、外侧副韧带在内的高强聚乙烯假体三维有限元模型，分析了在典型步态周 期内接触应力及接触区域大小，并与实验结果作比较；s h 蛆ih 等【2 0 j 提出一种膝关节前 交叉韧带的本构关系，并用有限元法计算了其变形及应力分布情况；j u d i 也rm 等让1 1 用 有限元法分析了材料性质和几何外形对半月板功能的影响；g o d e s tac 等用有限元法 分析了在正常步态周期中人工关节聚乙烯假体内的应力分布情况，并与实验结果进行了 大连理工大学硕士学位论文 比较；y u h u a 等【矧建立了膝关节前交叉韧带的三维有限元模型，得到了前交叉韧带上的 应力分布情况，并与实验结果进行了比较：h e e g a a r djh 等【2 4 j 建立了骸骨的计算模型， 并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响；p e l l r o s ejmt 等建立了 基于医学m r j 数据的真实膝关节三维模型，包括关节软骨、髌骨、韧带、半月板，并 利用该模型模拟了在行走、下楼梯等情况下膝关节上的位移及应力分布情况在外展时的 静态非线性反应：j o h ncg 等【2 6 】建立了膝关节内侧副韧带的三维有限元模型，得到了在 膝关节外翻时内侧副韧带上的应力应变分布数据；t a r n m yl hd 等【2 7 】建立了包括关节 软骨、半月板在内的胫一股关节有限元三维模型，并分析了骨骼变形对关节面接触行为 的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等。 但是他们所用的膝关节模型都是经过简化了的，只有少数的研究者在他们的模型中 添加了肌肉、韧带、髌骨，并且所得到的结果不大一致。m o r r i s o n 2 8 】使用逆动分析方法 建立了包括肌肉、韧带的膝关节的在正常步态下的接触模型，他的结果是a c l 的最值 是1 5 6 n ，大约是体重的0 2 5 倍，股骨胫骨的接触力峰值是体重的3 倍；h a r r i n 武o n ( 2 9 】 运用类似的方法得到a c l 的最大值是体重的o 5 倍；c o l l i l l s 等【3 0 】由失面模型计算在正 常步态的过程中，a c l 的峰值在体重的1 5 3 5 倍之间；随后，c 0 1 l i n s 等口l 】建立整个下 肢模型，运用优化的方法，得到a c l 的峰值在体重的1 5 1 ，7 倍之间；k e l v i n 等 3 2 计算 了a c l 的峰值是3 0 3 n ，大约是体重的0 5 倍，其峰值出现在单腿开始着地时；a s h v i n 等1 3 习得到股骨一胫骨之间的接触力是体重的3 2 倍；尉c h a r d 等0 4 】用凯恩动力学方法得到 的骨一胫骨之间的接触力在体重的1 7 2 3 倍之间。 1 ，4 课题研究的意义 国内外研究中所建立的膝关节有限元模型，或多或少的忽略了一些因素的影响，没 有一个完整的包括髌骨、半月板、内侧副韧带、外侧副韧带、前交叉韧带、后交叉韧带、 关节软骨在内的膝关节模型，建立个三维真实人膝关节生物动力模型是一项较为紧迫 的工作。本工作的目标就是建立一个包括上述组织的完整的膝关节三维动力学分析及接 触分析模型，为假体置换手术提供理论依据。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作有： 建立包括髌骨、韧带、肌肉在内的三维膝关节模型； 计算了上述膝关节模型在弯曲情况下韧带的受力和股骨一胫骨之间的接触力，以及 相关韧带缺损时受力隋况： 膝关节力学蛀态的动力学模拟 计算了膝关节模型在正常步态下韧带的受力和股骨一胫骨之间的接受力，以及相关 韧带缺损时的情况。 膝关节力学性态的动力学模拟属生物骨力学研究领域，课题源于： 青年科学基金项目( 1 0 4 0 2 0 0 7 ) ：膝关节力学性态的数值模拟和手术方案优化。 大连理工大学硕士学位论文 2 膝关节的结构 膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，股、胫骨两骨是由关节 囊相连，胫骨平台上有半月板与股骨接触，关节中央有前后交叉韧带，两侧有内外侧副 韧带，前方由髌骨及其上方的股四头肌及其下方的髌韧带组成伸肌器。膝关节为人体最 大且构造最复杂、损伤机会亦较多的关节。 关节囊较薄而松弛，附着于各关节软骨的周缘。关节囊的周围有韧带加固。前方的 日q 髌韧带，是股四头肌肌腱的延续( 髌骨为该肌腱内的籽骨) ，从髌骨下端延伸至胫骨 粗隆，在髌韧带的两侧，有髌内、外侧支持带，为股内侧肌和股外侧肌腱膜的下延，并 与膝关节囊相互编织：后方有胭斜韧带加强，由半膜肌的腱纤维部分编入关节囊所形成； 内侧有胫侧副韧带，为扁带状，起自内收肌结节，向下方散编织于关节囊纤维层；外侧 为腓侧副韧带，是独立于关节囊外的圆形纤维束，起自股骨外上髁，止于腓骨小头。关 节囊的滑膜层广阔，除关节软骨及半月板的表面无滑膜覆盖外，关节内所有的结构都被 覆着一层滑膜。在髌上缘，滑膜向上方呈囊状膨出约4 厘米左右。称为髌上囊。于髌下 部的两侧，滑膜形成皱襞，突入关节腔内，皱襞内充填以脂肪和血管，叫做翼状襞。两 侧的翼状襞向上方逐渐合成一条带状的皱襞，称为髌滑膜襞，伸至股骨髁间窝的前缘。 由于股骨内、外侧髁的关节面呈球面凸隆，而胫骨髁的关节窝较浅，彼此很不适合，在 关节内，生有由纤维软骨构成的半月板。 膝关节内有两条交叉韧带。前交叉韧带附着于胫骨髁问前窝，斜向后外上方，止于 股骨外侧髁内面的后份，有制止胫骨前移的作用。后交叉韧带位于前交叉韧带的后内侧， 较前交叉韧带短，起自胫骨髁间后窝及外侧半月板的后端，斜向前内上方，附于股骨内 侧髁外面的前份，具有限制胫骨后移的作用。 2 1 膝前区 2 ，1 1 浅层结构 皮肤薄而松弛，皮下脂肪少，移动性大。皮肤与髌韧带之间，有髌前应了囊。股外 侧皮神经的末端分布于该区外上部，股中间皮神经及股内侧皮神经的末端分布于上、内 侧部， 隐神经的髌下支及腓肠外侧皮神经分布于下内、外侧部。浅静脉为大隐静脉行 经膝部的属支，及其与小隐静脉的交通支。 膝关节力学性态的动力学模拟 2 1 2 深层结构 膝前区的深筋膜为阔筋膜的延续，并与其深面的肌腱相融合。膝外侧部有髂胫束， 内侧部有缝匠肌腱及股薄肌腱，中间部有股四头肌腱附着于髌底及两侧缘，继而向下延 为髌韧带，止于胫骨粗隆。由于髌骨及髌韧带集中股四头肌各个方向的牵引力，从而有 效地完成其伸膝功能。股四头肌腱在髌骨两侧由纤维向下，与阔筋膜一起形成髌支持带， 附着于髌骨、髌韧带的两侧缘及胫骨内、外侧髁，具有防止髌骨移位和加强膝关节囊前 部的作用。在股四头肌腱与股骨之间，有一大滑液囊，称髌上囊。此囊与关节腔相通， 当膝关节腔积液时，可出现浮髌感，此时可在髌骨两侧进行穿刺抽液检查。髌韧带是膝 反射的叩击部位，沿髌韧带两侧的浅凹向后可扪到膝关节间隙，此处适对半月板。当半 月板有损伤时，膝关节间隙处可有压痛感。 2 2 膝后区 2 2 1 浅层结构 图2 1 膝前区解剖图 f 啦1t h ea i l a t o m yo f f r o m a lv i e wo f l ( 1 1 e e j o i n t 皮肤薄，易移动，股后皮神经的未支、隐神经以及腓肠外侧皮神经等皆分布于此区。 小隐静脉穿深筋膜上行至膪窝，汇入胭静脉。小隐静脉末段的周围，有胭浅淋巴结分布。 查垄望三查堂堡主堂垡笙壅 一 2 2 2 深层结构 膝后区的深筋膜又称胭筋膜，厚而坚韧，故患胭窝囊肿或胭动脉瘤时，因扩展受限， 可致胀痛。 ( 1 ) 胭窝的境界胭窝里菱形，上外侧壁为股二头肌：上内侧壁为半腱肌和半膜肌； 下内、外侧壁分别为腓肠肌肉、外侧头；胭窝的顶为胭筋膜；窝底自上而下分别为股胭 面、膝关节囊后部及胭斜韧带、胭肌及其筋膜骨。 图2 2 膝后区解剖图 f i 9 2 2t h ea i l a t o m yo f p o s t e r i o r v i e wo f t h ek n e e j o i n t ( 2 ) 胭窝的内容由浅入深为胫神经、胭静脉、胭动脉以及窝上外缘的腓总神经。因 腰动脉自上内斜向下外走行，故胫神经上段位于胭动脉的外侧，中段在胭动脉浅面，下 段位于胭动脉内侧。胭静脉居膪动脉与胫神经之间，血管周围有胭深淋巴结。窝内除上 述结构外，还有滑液囊及脂肪组织充填。 胫神经：为坐骨神经在膪窝上角处的粗大分支，居胭窝最浅面。沿中线下行至 胭肌下缘，穿比目鱼肌腱弓深面进入小腿后区。该神经在脑窝内分支分布于膝关节及邻 近诸肌，其皮支为腓肠内侧度神经，分布于小腿皮肤。 腓总神经：沿脑窝上外缘经股二头肌内缘下行，至腓骨头后方并绕过腓骨胫， 向前穿腓骨长肌起始部，即分为腓浅神经及腓深神经两终支。腓总神经绕行腓骨胫处位 置表浅，且与骨膜紧贴，故腓骨胫骨折或使用固定器材不当时可受累及，引起小腿伸肌 瘫痪而导致足下垂。 膝关节力学性态的动力学模拟 胭动脉：位置较深，邻贴股骨膪面及膝关节囊后部。沿半腱肌外缘向外斜行， 至股骨髁问窝水平居膝后中部，而后垂直向下达胭肌下缘，分为胫前动脉和胫后动脉。 前者经骨间膜上缘进入小腿前区，后者经比目鱼肌腱弓深面至小腿后区。该动脉除发出 肌支分布于邻近诸肌外，尚有五条关节支，即膝上内、外侧动脉，膝中动脉及膝下内、 外侧动脉，均参与组成膝关节动脉网。胭动脉上部因与股骨脑面关系密切，当股骨髁上 骨折时，可能伤及胭动脉。 胭静脉：与膪动脉伴行，且共同包于一个血管鞘中，故血管损伤后，有可能发 生动静脉瘘。胭静脉居胜神经深面，浅层的小隐静脉于舾窝下角处，穿胭筋膜上行汇入 胴静脉。高位结扎小隐静脉末端时，应注意避免伤及其浅面的胫神经。 胭深淋巴结：位于膪动、静脉周围，约有4 5 个。收纳足外侧部、小腿后外侧 部的浅淋巴管及足部、小腿的深淋巴管；其输出管注入腹股沟深淋巴结。 2 3 膝关节 2 3 1 骨性结构 ( 1 ) 股骨下端：股骨下端向两侧和后方膨大，分别形成股骨内侧髁及股骨外侧髁。 两髁的下方为髁关节面，其前方相互连结并形成一浅凹，称髌面。股骨外侧髁易于扪及， 其外侧面略偏后方的圆形隆起，即外上髁。股骨内侧髁较外侧髁明显，在其稍后方，也 可触及圆形的内上髁。 ( 2 ) 胫骨上端：胫骨上端膨大，向两侧突出成内、外侧髁，其上面平坦，称为胫骨 平台。髁的上面各有一微凹的关节面，并被覆于其上面的半月板而加深，胫骨内、外侧 髁的关节面与股骨内、外侧髁的关节面相对应。在胫骨内、外侧髁关节面之间，各有一 骨性结节融合成髁间隆起，隆起的前、后方各有平坦的小区域，分别为前、后交叉韧带 的附着处。胫骨上端的骨骺距关节面较近，故对幼年患者作骨端切骨手术时，不可切除 过多的骨质，以免损伤骨骺，影响骨的发育。 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 膝关节解剖结构 f j 9 2 3t h e a t o m yo f k n e e j o i n t ( 3 ) 髌骨为人体最大的籽骨，略呈三角形，前后扁平。髌骨后面的中间部有纵行的 骨嵴，将其分为内、外两部，与股骨的髌面相对应。髌骨可作为股四头肌腱的一个支点， 能加强股四头肌的伸膝力量，尤其是伸膝至1 5 0 1 8 0 度时更为明显。因此当髌骨骨折时， 不可轻易将其切除。 2 3 2 韧带、半月板及滑膜囊 ( 1 ) 韧带膝关节的韧带有囊外及囊内两部分，囊外的韧带包括腓侧副韧带、胫侧副 韧带、髌韧带、髌支持带及脑斜韧带等，囊内的韧带主要是膝交叉韧带。 堕差羔查堂堂查塑塾查兰! 型 一 图2 4 膝关节交叉韧带解剖结构 f i 9 2 4 t h ea n a l o m yo f l d l e e j o i n t c m c i a t e l i g a i n e n t s 腓侧副韧带：呈圆索状，起自股骨外上髁，止于腓骨头尖部的稍前方。此韧带 与其浅面的股二头肌腿和髂胫柬有加强和保护膝关节外侧部的作用。腓侧副韧带不与关 节囊壁相连，膝下外侧血管从其深面穿过。屈膝时该韧带松弛，伸膝时韧带紧张。腓 侧副韧带一般不易损伤，一旦发生则常伴有腓总神经的牵拉或断裂，应予注意。 胫侧副韧带：扁宽呈带状，起自股骨收肌结节下方，止于腿骨内侧髁内侧，其 前部纤维较直，并与关节囊壁分离，其间有疏松结构组织和滑液囊，半膜肌腱在该韧带 与胫骨之间扩展，而膝中、下血管在此扩展部与韧带间穿行。其后部纤维向下、后方斜 行，至内侧半月板水平斜向前方止于胫骨。因此，后部韧带在中部宽阔，并与关节囊、 半月板紧紧相连。胫侧副韧带的前部纤维在膝关节任何位置均处于紧张状态，而后部纤 维在屈膝时松弛，由于后部纤维与内侧半月板相连，所以膝关节处于半屈状态并受到旋 转的力量作用时，易发生胫侧副韧带及内侧半月板的损伤。 膝交叉韧带：为膝关节重要的稳定结构，呈铰链式连于股骨髁间窝及胫骨的髁 间隆起之间，可防止胫骨沿股骨向前后移位。膝交叉韧带又可分为前后两条，前交叉韧 带起自股骨外侧髁的内侧面，斜向前下方，止于胫骨髁间隆起的前部和内、外侧半月板 的前角；后交叉韧带起自股骨内侧髁的外侧面，斜向后下方，止于胫骨髁间隆起的后部 和外侧半月板的后角。当膝关节活动时，两条韧带各有一部分纤维处于紧张状态。因此， 除前交叉韧带能防止胫骨向前移位，后交叉韧带能防止胫骨向后移位外，还可限制膝关 节的过伸、过屈及旋转活动。由于膝交叉韧带位于关节深处，并在关节周围的韧带与肌 奎塑三查堂堡主塑! 望茎 一 腱的保护下，常不易损伤，尤其是后交叉韧带的损伤更为少见。如旦损伤，则常与胫 侧副韧带或半月板同时发生。 ( 2 1 半月板为纤维软骨板。内、外侧各一，呈半月形位于胫骨平台和股骨内、外侧 髁之间，半月板有内、外两缘，前、后两角。外缘肥厚，内缘菲薄。外侧半月板较小， 前、后角距离较近，略呈“o ”形，前角附着于髁间隆起之前，后角附着于内侧半月板 后角与髁间隆起之间。外侧半月板的外缘有斜沟，胭肌腱在此通过，故其外缘不与腓 侧副韧带相连。因此不仅其活动性较大，且手术摘除亦较内侧半月板摘除容易。内侧半 月板较大，前、后角距离较远，呈“c ”形，前角窄而薄，后角宽而稍厚，分别位于髁 间隆起的前、后方非关节面部分。外侧缘与胫侧副韧带后份紧密相连，因此，胫侧副韧 带的损伤常合并内侧半月板撕裂。半月板的上砸凹陷，下面平坦，近似楔状，嵌于关节 间隙内，是稳定膝关节的复杂结构中不可缺少的部分。半月板具有弹性，在关节运动时， 可减少震荡。当膝关节伸屈时，半月板凹面与股骨髁之间发生移动。在膝关节旋转时， 半月板下面与胫骨平台之间发生移动，因此半月板的损伤，多发生于其下面，探查时应 予注意。半月板仅外缘部分获得少许血供，故损伤后修复力极差，多需手术将其摘除， 摘除后并不影响关节功能。 ( 3 ) 滑膜囊及脂肪垫在全身所有的关节中，膝关节的滑膜面积最大，它衬于关节囊 内面，几乎覆盖关节内全部结构，部分滑膜突向关节腔外，形成与关节腔相通的滑膜囊， 其中以髌上囊最大。部分滑膜向关节腔内隆起形成皱壁，按其位置可分三组： 髌上滑膜襞，位于髌上囊与关节腔之闯，据报道国人出现率达9 4 。 髌内滑膜襞，为关节囊内侧的带状突起，出现率仅为3 9 。 髌下滑膜壁，位于前交叉韧带前方，出现率为1 0 0 。 上述滑膜皱壁中，髌上滑膜襞容易嵌入髌下关节面，故多引起膝关节内干扰症状， 临床上称为膝关节滑膜皱壁综合征。膝关节内的脂肪垫，为滑膜与关节囊的纤维层之间 的一层脂肪组织，充填于关节面不适应的空间。其中以髌下脂体为主要部分，它位于髌 骨、股骨髁下方，胫骨髁上方与髌韧带之间，并向两侧延伸，在髌骨两侧向上伸展者称 翼状襞。髌下脂体内的血管较多，施行半月扳手术时，应注意保护。髌下脂体因外伤而 被钳挟、压迫等，也会引起关节内干扰症状。 2 3 3 血液供应与神经支配 膝关节的血供十分丰富，由股动脉发出的旋股外侧动脉降支、膝降动脉、橱动脉发 出的膝上内、外侧动脉，膝中动脉和膝下内、外侧动脉，胫前返动脉以及股深动脉发 出的第3 穿支等，均在膝关节的近侧及远侧处吻合成关节动脉网，该网不仅是膝关节的 膝关节力学性态的动力学模拟 营养来源，而且在胭动脉主干发生血运障碍时，还是侧支循环的重要途径。膝关节前部 由股神经的肌皮支、闭孔神经前支及隐神经支配，后部由坐骨神经、胫神经、腓总神经 和闭孔神经后支等支配。腓浅、深神经发出的返支，除分布于胫骨前外侧面及胫腓关 节外，还有些小分支分布于髌下脂肪垫及其邻近的关节囊。 2 4 膝关节动脉网 膝关节动脉网是由膪动脉的五条关节支、膝降动脉、旋股外侧动脉的降支及胜前返 动脉等彼此吻合而成。若脶动脉损伤或栓塞时，此网有一定的代偿功能。 图2 5 膝关节动脉网解剖结构图 f i 9 2 5t h e 姐a t o m yo f a n e r yn e to f t h ek n e e j o i m 大连理工大学硕士学位论文 3 膝关节的生物力学模型介绍 建立人体膝关节模型是生物力学研究领域中最具挑战性的课题之一，目前用于研究 人体膝关节的大部分模型均属静力或准静力模型，仅建立了极少的人膝关节解剖基生物 动力模型，且均属二维动力模型，因此，建立一个三维真实人膝关节生物动力模型是目 前迫在眉睫的工作【5 】。 3 1 引言 膝关节是人体最重要、最复杂的一个关节，也是多发病变的部位。由于其在临床治 疗，医学研究，生物机械的设计、应用及研究等各领域的重要意义和应用价值，长期以 来，受到了广泛的关注。1 8 3 6 年，韦伯兄弟首先注意和观测到了膝关节运动是胫骨和股 骨滚动和滑动两种运动的结合，之后至今，许多研究者对人膝关节模型进行了大量的研 究。 自从b r e s l e r 和f r a l l l 【e l 在1 9 5 0 年建立了一个早期的人膝关节生物力学模型以来， 之后至今的许多研究者己建立了各种各样的人膝关节模型。而所有这些膝关节模型基本 上可分为两类：即物理模型和生物力学模型。人体膝关节的生物力学模型又现象模型和 解剖模型。现象模型没有考虑膝关节处的真实结构；面解剖模型则是考虑了形成膝关节 各部分的解剖结构，并要求能精确的描述各种真实解剖结构。解剖模型又可分为运动模 型、静力及准静力模型和动力模型。以下将分节对此类模型予以介绍。 3 2 人体膝关节模型介绍 3 2 1 人膝关节现象模型 人体膝关节现象模型可分为简单铰模型和粘弹铰模型两类。简单铰模型，即股骨与 胫骨模型为由简单铰连接的结构，而粘弹铰模型则是股骨与胫骨模型为由粘弹铰连接的 结构。由此可见现象模型，既没有考虑人膝关节几何形状，也没有考虑使膝关节啮合的 韧带功能。在早期的人体整体动力分析中，应用了简单铰的概念来分析人体的各连接部 位，这类模型可用来预测人体在行走期间的膝关节反作用力等。建立这类模型的方法， 就是写出每个关节的平衡方程，然后用优化的算法来求解这些方程，最后再应用每个关 节处的力的平衡方程来计算其关节力。粘弹铰模型则是应用了线弹性理论，将人膝关节 模型视为线弹