膝关节屈伸运动形态的有限元分析.doc

www.CRTER.org张立超，等. 膝关节屈伸运动形态的有限元分析膝关节屈伸运动形态的有限元分析张立超1，张立敏2，吕永明1，王智慧1，杨 阳1，徐 飞1，戴海峰1，李 嘉1，曹向宇1，武丽珠3 (1承德医学院附属医院骨科，河北省承德市 067000；2解放军第266医院，河北省承德市 067000；3承德市中心医院急诊科，河北省承德市 067000) 引用本文：张立超，张立敏，吕永明，王智慧，杨阳，徐飞，戴海峰，李嘉，曹向宇，武丽珠. 膝关节屈伸运动形态的有限元分析J.中国组织工程研究，2017，21(3):396-400.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.03.013 ORCID: 0000-0002-7079-9730(张立超)文章快速阅读：有限元法分析膝关节的屈伸运动形态将CT扫描机扫描的DICOM格式的志愿者膝关节图像导入Mimics软件，对三维模型进行包裹、平滑，勾画出膝关节骨骼以及韧带组织蒙罩，生成膝关节的三维有限元模型，以Binary STL格式保存。将建立的膝关节模型进行四面体网络划分，并对膝关节材料进行赋值设置。检测指标：膝关节不同屈曲位股骨前移、股骨内移、胫骨内旋和胫骨内翻情况。文题释义： 膝关节炎：是一种以退行性病理改变为基础的疾患。多见于中老年人群，其症状多表现为膝盖红肿痛、上下楼梯痛、坐起立行时膝部酸痛不适等。也会有患者表现肿胀、弹响、积液等，如不及时治疗，则会引起关节畸形。在膝关节部位还常患有膝关节滑膜炎、韧带损伤、半月板损伤、膝关节游离体、腘窝囊肿、髌骨软化、鹅足滑囊炎、膝内/外翻等关节疾病。人工膝关节：人工膝关节置换是在近代人工髋关节成功应用于患者后逐渐发展起来的一种治疗膝关节疾病的新技术。人工膝关节完全参照了正常人膝关节的解剖形状，是一种仿生设计制品。模仿人体膝关节的结构及活动方式，人工膝关节由4个部件组成：股骨部分、胫骨部分、髌骨部分以及聚乙垫。摘要背景：三维有限元分析在骨科中被广泛应用，在膝关节屈曲运动中的研究不多。 目的：对膝关节屈曲运动的生物力学特性进行三维有限元分析。方法：建立膝关节的三维有限元模型以及膝关节屈曲30，60以及120时的三维有限元模型，分析膝关节不同屈曲位股骨前移情况、股骨内移情况、胫骨内旋情况和胫骨内翻情况。结果与结论：股骨前移：在膝关节屈曲30，60和120时股骨均出现后移，膝关节屈曲60时的股骨后移值大于屈曲30和屈曲120(P 0.05)；股骨内移：在膝关节屈曲30时股骨外移，在膝关节屈曲120时膝关节内移，膝关节屈曲120时股骨内移值明显大于屈曲30和屈曲60时(P 0.05)；胫骨内旋：在膝关节屈曲30，60和120时胫骨均出现内旋，3者比较差异均无显著性意义(P 0.05)；胫骨内翻：在膝关节屈曲30，60和120时胫骨均出现内翻，其中屈曲120时胫骨内翻不明显，膝关节屈曲60时胫骨内翻度数最大，明显高于屈曲120时(P 0.05)；结果表明，膝关节在屈曲60时股骨后移最明显，膝关节屈曲120时股骨内移值最大，膝关节屈曲30和屈曲120时胫骨内旋明显，膝关节屈曲60时胫骨明显内翻。关键词：骨科植入物；数字化骨科；膝关节；力学模型；屈曲运动；有限元分析；生物学特性主题词：膝关节；有限元分析；生物力学；组织工程基金资助：河北省2014年度医学科学研究重点课题计划项目(Zl20140191)Finite element analysis of knee flexion and extension movement Zhang Li-chao1, Zhang Li-min2, Lv Yong-ming1, Wang Zhi-hui1, Yang Yang1, Xu Fei1, Dai Hai-feng1, Li Jia1, Cao Xiang-yu1, Wu Li-zhu3 (1Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Chengde Medical College, Chengde 067000, Hebei Province, China; 2the 266 Hospital of Chinese PLA, Chengde 067000, Hebei Province, China; 3Department of Emergency, Chengde Central Hospital, Chengde 067000, Hebei Province, China) 张立超，男，1981年生，河北省宽城县人，满族，2005年承德医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事骨科方面的临床研究。 中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2017)03-00396-05稿件接受：2016-11-17Zhang Li-chao, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Chengde Medical College, Chengde 067000, Hebei Province, ChinaAbstract BACKGROUND: Three dimensional finite element analysis is widely used in orthopedics, but research in the 3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 knee flexion movement is not much.OBJECTIVE: To analyze biomechanical properties of knee flexion using finite element analysis.METHODS: Three dimensional finite element models and models of knee flexion at 30 degrees, 60 degrees and 120 degrees were established. Femoral forward movement, femur inward movement, tibia internal rotation and tibia vara were analyzed at different flexion angles.RESULTS AND CONCLUSION: (1) When knee flexion was at 30 degrees, 60 degrees and 120 degrees, the femur had backward movement. The backward movement value was larger at 60 degrees than at 30 and 120 degrees (P 0.05). (2) The femur had outward movement at 30 degrees, and inward movement at 120 degrees. The inward movement value was significantly larger at 120 degrees than at 30 and 60 degrees (P 0.05). (3) Tibia internal rotation was not significantly different at 30, 60 and 120 degrees of flexion (P 0.05). (4) Tibia vara was found at 30, 60 and 120 degrees of flexion, but the tibia vara was not obvious at 120 degrees. The tibia vara was maximum at 60 degrees, and significantly higher than that at 120 degrees (P 0.05). (5) These findings verify that backward movement was most obvious at 60 degrees. Femur inward movement was most large at 120 degrees. Tibia internal rotation was noticeable at 30 and 120 degrees. Tibia vara was remarkable at 60 degrees. Subject headings: Knee Joint; Finite Element Analysis; Biomechanics; Tissue Engineering Funding: the Key Medical Science Plan Program of Hebei Province in 2014, No. Zl20140191Cite this article: Zhang LC, Zhang LM, Lv YM, Wang ZH, Yang Y, Xu F, Dai HF, Li J, Cao XY, Wu LZ. Finite element analysis of knee flexion and extension movement. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(3):396-400.401ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction 膝关节是下肢活动枢纽，负重大，运动多，是主要的下肢关节，膝关节是人体关节中功能和结构最复杂的关节，由髌骨、股骨、胫骨和腓骨，以及周围的韧带和肌肉等组成，是结构完备的滑膜关节，具有关节囊、关节腔和关节面滑膜关节必备结构，以及软骨、半月板、滑囊、韧带和脂肪垫等辅助结构，膝关节的运动是各个关节的相互协调运动。因为膝关节的运动量比较大，结构比较复杂，因此膝关节的损伤位居所有关节的首位，研究膝关节生物力学特点，对于预防膝关节炎、膝关节损伤具有重要意义1-5。人工膝关节置换术是晚期关节炎常用的一种比较有效的方法，能够减轻膝关节疼痛，恢复膝关节功能，恢复关节力线，手术成功率比较高6-7，但术后有出现假体过度磨损、假体松动、功能性失败等风险，膝关节置换术失败的原因主要有假体因素、手术操作因素以及病理性的因素，研究膝关节的生物力学特性对于设计和制造膝关节假体也具有重要意义8-10。三维有限元分析操作简单，可重复性好，在骨科生物力学研究领域被广泛应用11-18。何川19采用有限元法对膝关节屈曲0，30，60和90时膝关节韧带的生物力学特点进行分析，发现膝关节韧带在膝关节不同屈曲角度时的应力大小和应力分布不同，发生损伤的风险也不同；马雪梅等20对骑行时膝关节不同屈曲角度时膝关节软骨的受力情况进行有限元分析，发现膝关节屈曲角度大时应力比较大，髌骨软骨上侧和胫骨平台软骨后侧承受的应力比较大。何川和马雪梅等的研究对不同屈曲度数时膝关节韧带和膝关节软骨的力学特点进行了研究，但关于膝关节不同屈曲位时股骨和胫骨的生物力学特点没有涉及，文章对膝关节不同屈曲位时股骨和胫骨的生物力学特点进行研究。有研究将膝关节的屈曲度分为低屈曲度、中屈曲度和高屈曲度21，屈曲度 120为高屈曲度，结合何川19的膝关节屈曲度划分方法，文章对膝关节屈曲30，60，120时股骨和胫骨的生物力学特点进行研究。文章通过建立膝关节屈曲30，60，120时的三维有限元模型，分析膝关节不同屈曲位股骨前移、内移情况以及胫骨内旋、胫骨内翻情况。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 三维有限元分析实验。1.2 时间及地点 于2014年10月至2015年11月在承德医学院附属医院实验室完成。1.3 材料 Mimics 15.0软件，购自于比利时Materialise公司。1.4 对象 选取健康男性39岁志愿者1名，体质量78 kg，身高176 cm，志愿者无内外科疾病史，没有肢体残疾和外伤史，CT扫描和拍X射线片示膝关节正常。1.5 方法获得志愿者膝关节影像资料：志愿者取仰卧位，CT扫描机按照0.6 mm的层厚进行志愿者膝关节扫描，扫描范围：膝关节股骨下端1/3至膝关节胫骨上段1/3。将扫描的膝关节图像以DICOM格式保存。建立膝关节三维模型：将CT扫描机扫描的DICOM格式的膝关节图像导入Mimics软件，将膝关节图像进过无损模型转换，填补图像空洞，生成膝关节骨骼蒙罩，对蒙罩进行编辑，生成三维模型，对三维模型进行包裹、平滑，勾画出膝关节骨骼以及韧带组织蒙罩，生成膝关节的三维有限元模型(见图1)，以Binary STL格式保存。图1 膝关节三维模型Figure 1 Three-dimensional model of the knee获得志愿者膝关节不同屈曲位置影像资料：CT扫描机按照0.6 mm的层厚扫描志愿者膝关节屈曲30，60和120时的图像，扫描范围：膝关节股骨下端1/3至膝关节胫骨上段1/3。将扫描的膝关节图像以DICOM格式保存。建立膝关节屈曲三维模型：将CT扫描机扫描的DICOM格式的膝关节屈曲图像导入Mimics软件，将膝关节屈曲图像进过无损模型转换，填补图像空洞，生成膝关节屈曲骨骼蒙罩，对蒙罩进行编辑，生成膝关节屈曲三维模型，对膝关节屈曲三维模型进行包裹、平滑，勾画出膝关节屈曲骨骼以及韧带组织蒙罩，生成膝关节屈曲的三维有限元模型(见图1)，以Binary STL格式保存。网络划分：将建立的膝关节模型进行四面体网络划分。膝关节材料赋值设置：股骨的弹性模量为14 357 MPa，松比设置为0.34；髌骨的弹性模量为14 357 MPa，松比设置为0.34；胫骨的弹性模量为18 456 MPa，松比设置为0.31；软骨的弹性模量为109 MPa，松比设置为0.19；前后交叉韧带的弹性模量为302 MPa，松比设置为0.29；股-髌韧带的弹性模量为447 MPa，松比设置为0.29；内外侧韧带的弹性模量为300 MPa，松比设置为0.29；周围肌肉的弹性模量为413 MPa，松比设置为0.29。1.6 主要观察指标 膝关节不同屈曲位股骨前移、股骨内移、胫骨内旋和胫骨内翻情况。1.7 统计学分析 采用SPSS软件进行分析，均数两两之间比较采用t 检验，取P=0.05为显著标准。2 结果 Results 2.1 膝关节不同屈曲位股骨前移情况 由表1看出，在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时股骨均出现后移，膝关节屈曲60时的股骨后移值(13.32.5) mm大于膝关节屈曲30和屈曲120时的股骨后移值(5.22.7)，(7.13.2) mm (P 0.05)。2.2 膝关节不同屈曲位股骨内移情况 由表1看出，在膝关节屈曲30时股骨外移，在膝关节屈曲120时膝关节内移，膝关节屈曲120时股骨内移值(3.72.1) mm明显大于膝关节屈曲30和屈曲60时股骨内移值(1.50.9)，(0.20.8) mm (P 0.05)。表1 膝关节不同屈曲位股骨前移及内移情况 (s，mm)Table 1 Femur forward and inward movement at different degrees of knee flexion 表注：与屈曲30比较，aP 0.05，与屈曲60比较，bP 0.05)。表2 膝关节不同屈曲位胫骨内旋及内翻情况 (s，) Table 2 Tibia internal rotation and tibia vara at different degrees of knee flexion 表注：与屈曲60比较，aP 0.05；内旋为正值，内翻为负值；外旋为正值，外翻为负值。屈曲角度胫骨内旋胫骨内翻屈曲302.3屈曲602.2屈曲11.5a2.4 膝关节不同屈曲位胫骨内翻情况 由表2看出，在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时胫骨均出现内翻，其中屈曲120时胫骨内翻不明显，为(0.11.5)；膝关节屈曲60时胫骨内翻度数最大(3.92.2)，明显高于屈曲120时胫骨内翻度数(P 0.05)。3 讨论 Discussion膝关节活动范围比较广泛，是人体最复杂的关节，由3个骨平台、2个软骨平面、5个关节韧带以及滑液和结缔组织构成，为双关节结构，具有平面关节的特性和球窝关节功能。人体膝关节损伤的原因主要有伸屈关节运动，剪切运动，跳跃或负重物时受力不均匀，应力的突然急剧变化，机械碰撞或摔跌伤等，膝关节的损伤在生物力学上主要是直接或间接暴力作用于膝关节骨组织或软骨组织时引起的膝关节微小结构裂伤或折断。由于人体结构比较复杂，对人体活体的研究具有一定的局限性，因此直接对人体膝关节的生物力学特点进行研究比较困难，在尸体上对膝关节进行研究又缺乏人体运动时的生理环境，因此建立膝关节的力学和解剖学模型是研究膝关节生物力学特点的有效方法。关于膝关节生物力学研究以往常用的方法有动物膝关节模型、物理膝关节模型、数字膝关节模型以及虚拟膝关节模型等22-26，但由于上述模型均具有一定的局限性，没有对骨架和关节软组织进行综合考虑，和膝关节的解剖结构和生物状态参数有比较大的差距，不能正确的反应膝关节的生物力学特点，膝关节三维有限元分析能够克服上述方法的不足，在膝关节的研究中被广泛应用27-31。随着技术的不断发展，膝关节力学模型也不断发展。物理模型是比较早的膝关节力学模型，最常见的膝关节物理模型为将膝关节股经关节运动视为交叉四连杆结构模型32，在胫骨平台和股骨髁接触时，交叉韧带长度基本不变，由交叉韧带长度和交叉韧带在股骨以及胫骨上的附着位置计算股骨髁与胫骨平台的几何形状，将膝关节简化为股胫关节二维模型33，膝关节交叉四连杆模型在膝关节运动力学研究的早期具有重要意义。随后出现了膝关节股胫关节四连杆结构的三维模型，在膝关节股胫关节四连杆结构的三维模型中将膝关节屈曲过程中，前后交叉韧带和内侧副韧带设定为不能伸缩的线约束，胫骨髁设立为刚性平面，股骨后髁设定为刚性球面，在屈膝过程中股胫关节面处于接触状态，整个膝关节结构为5个约束把刚性胫骨和刚性股骨相连起来，膝关节股胫关节四连杆结构三维模型和膝关节股胫关节四连杆结构二维模型共同存在的缺陷是不能描述股胫关节在伸膝和屈膝时的内外翻运动和内外旋转运动，考虑到交叉韧带的中间纤维长度在高度屈膝时能够发生改变，因此该模型在高度屈膝时不适用。国内关于膝关节力学模型的研究比较少，主要集中的膝关节的二维模型的研究上。随着生物力学和计算机技术的不断进步，有限元分析发也不断完善，有限元分析法能够节约研究时间，降低研究成本，能够对活体组织进行生物力学分析，在膝关节生物力学的研究中的应用也不断成熟34-36。何川19通过建立膝关节有限元模型，对膝关节不同屈曲角度时的膝关节韧带的生物力学进行研究，发现膝关节屈曲度数不同，膝关节韧带的应力大小和应力分布不同；马雪梅等20通过建立膝关节有限元模型，对骑行时膝关节不同屈曲角度时膝关节软骨的受力情况进行有限元分析，发现膝关节屈曲角度不同膝关节软骨的受力也不同。何川和马雪梅等的研究没有涉及膝关节不同屈曲位时股骨和胫骨的生物力学特点，本文中对膝关节不同屈曲位时股骨和胫骨的生物力学特点进行研究。膝关节的有限元模型最初只有简单的骨性连接模型，只包括胫骨平台和股骨远端，不包括髌骨在内37，随后开始测量和分析对膝关节局部受力情况，以及测量骨松质和骨皮质的负载情况，数据主要由CT扫描得到，随着计算机的发展，膝关节模型中加入了髌骨，随后在膝关节模型中加入了半月板、胫骨软骨和股骨软骨，研究膝关节伸展拉力，随着影像技术的不断发展，磁共振获得的膝关节数据比CT获得的膝关节数据更加精确，有研究开始用磁共振扫描获得膝关节的数据资料。近年来在膝关节模型中加入了膝关节周围韧带和肌肉等组织，对膝关节的稳定性进行模拟。建立膝关节有限元模型的建模方法主要有：人工建模法：在20世纪没有将二维影像学图像转化为三维图像的软件，三维建模软件和影像图像软件是分开的，三维模型的建立主要靠肉眼分辨，并手动描绘三维轮廓，在进行网络设置和划分，由于人工建模法比较费时，现在基本被淘汰；半自动建模法：随着技术的发展，三维建模软件出现多功能一体化，能够支持多种图像格式，使二维影像学图像向三维图像转换更加方便，更加快捷，能够节约大量人工时间，并且门槛比较低，比较常用的软件用Mimics构膜软件，Geomagic Studio影像三维检测软件，以及ABAQOUS三维有限元处理软件，半自动建模法是目前膝关节三维有限元分析的主流；全自动建模法：全自动建模法是一种新的技术，全自动建模法只需患者的影像学资料，和数据库比对，根据和数据库的差异，将数据库中的标准模型根据患者的影像学资料进行修改，自动生成患者的三维有限元模型，改建模方法仍在测试阶段。膝关节在不同位置屈曲过程中生物力学均发生变化，在膝关节伸直位时，膝关节的稳定性主要由前交叉韧带前内侧束维持，内外侧副韧带发挥次要作用，后交叉韧带基本不发挥作用，在屈曲度数不断增加时，膝关节的稳定性主要有前交叉韧带前内侧束河后交叉韧带维持，前交叉韧带后外侧束基本没有太大作用，在屈曲120时膝关节的稳定主要由后交叉韧带和前交叉韧带前内侧束维持，内外侧副韧带基本不发挥作用。在膝关节不同屈曲位时，股骨和胫骨的位置也发生相应变化，为研究膝关节不同屈曲过程中股骨和胫骨的生物力学变化，本实验对膝关节屈曲运动的生物力学特性进行三维有限元分析，采用半自动建模法建立膝关节的三维有限元模型以及膝关节屈曲30、屈曲60以及屈曲120时的三维有限元模型，分析膝关节不同屈曲位股骨前移情况、股骨内移情况、胫骨内旋情况和胫骨内翻情况。发现在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时股骨均出现后移，膝关节屈曲60时的股骨后移值大于屈曲30和屈曲120，膝关节屈曲120股骨后移值大于屈曲30，但差异无显著性意义。在膝关节屈曲30时股骨外移，在膝关节屈曲120时膝关节内移，膝关节屈曲120时股骨内移值明显大于屈曲30和屈曲60时，膝关节屈曲30和屈曲60时外移值比较差异无显著性意义。在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时胫骨均出现内旋，胫骨内旋度数在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时比较差异均无显著性意义。在膝关节屈曲30、屈曲60和屈曲120时胫骨均出现内翻，其中屈曲120时胫骨内翻不明显，膝关节屈曲60时胫骨内翻度数最大，明显高于屈曲120时，膝关节屈曲30时胫骨内翻度数大于屈曲120时，但差异无显著性意义。由此可见，膝关节在屈曲60时股骨后移最明显，膝关节屈曲120时股骨内移值最大，膝关节屈曲30和屈曲120胫骨内旋明显，膝关节屈曲60时胫骨明显内翻。膝关节在30，60，120不同屈曲度数运动过程中，股骨和胫骨在不同屈曲度数时的相对运动特点不同，股骨和胫骨的相对运动特点为膝关节假体的设计以及膝关节损伤后的功能康复锻炼提供了一定的生物力学依据。文章的不足之处在于：没有建立半月板模型，未考虑半月板对股骨和胫骨生物力学的影响；没有将人种、性别和体质量的差异对研究的影响；是对膝关节准静态屈曲运动的研究。在后续的研究中将考虑把半月板模型设计到研究中去，并注意人种、性别和体质量的差异，对膝关节动态屈曲运动过程中的生物力学进行研究分析。作者贡献：张立超进行实验设计，实验实施为张立超、杨阳、徐飞、武丽珠，实验评估为张立超、张立敏、王智慧、戴海峰，资料收集为张立超、吕永明，张立超、李嘉成文，曹向宇审校。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：志愿者对实验方案知情同意，签署知情同意书。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据（包括计算机数据库）记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。开放获取声明：这是一篇开放获取文章，文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。根据知识共享许可协议“署名-非商业性使用-相同方式共享3.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。4 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