胫骨远端关节面缺损有限元模型的生物力学分析

余华; 李少星; 赵长义; 闫金成

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.012

摘要：背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学研究得到了广泛应用，但是关于胫骨远端关节面缺损有限元分析，国内外少见关于此类的报道。目的：建立踝关节的三维有限元模型，制作胫骨远端关节面不同面积的缺损，并模拟在不同位相下胫骨远端关节面发生形变、位移情况，预测胫骨远端关节面缺损的最大允许程度和探讨踝关节创伤性关节炎的力学发病机制。方法：通过对1名正常成年男性踝关节的多排螺旋 CT扫描，获得连续断层图片，导入Mimics 医学建模软件生成实体模型后，应用大型通用有限元分析软件 ANSYS13.0进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件，模拟踝关节远端轴向受力，得出在不同位相下胫骨远端关节面有限元模型上的应力分布与位移结果。结果与结论：建立人体踝关节有限元模型总单元数为157990，总节点数为193801。3个位相，都是随着胫骨远端缺损面积的增大，接触面积逐渐减小，尤其是跖屈位在缺损直径13 mm的面积时，变化最为明显；3个位相的接触面积，在中立位接触面积最大；在中立位和背屈位都是随着胫骨远端关节面缺损面积的增大，应力峰值逐渐增大，都是在11-13 mm以后应力峰值明显增大；在中立位和背屈10°位，主要集中在后内和后外象限；在跖屈10°位，变化比较复杂，在11-13 mm，随着缺损面积的增大应力峰值变化明显增大，到13 mm应力峰值达到最大值。所以，胫骨远端关节面的最大缺损直径可认为是11-13 mm。胫骨远端关节软骨及骨床缺损直径超过11-13 mm的圆面积，关节功能将受到影响。