有限元分析不同屈曲状态下胫-股关节的生物力学变化
王俊然1
杜玮瑾1
王长江2
郭媛1
陈维毅1
1.太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,山西省太原市,0300242.萨塞克斯大学工程设计学院,英国布莱顿 BNI 9RH
摘要：背景:三维有限元模型有助于人们对膝关节损伤机制和力学特性的分析,但动态模拟膝关节运动的研究较少.目的:建立正常的男性膝关节三维有限元模型,动态模拟膝关节运动并析膝关节在不同屈曲状态下受力后,胫-股关节的力学特性和相对运动,为膝关节生物力学的研究提供有三维限元模型,并为膝关节的个性化假体设计和3D打印提供指导.方法:对1名健康男性的膝关节进行CT扫描,然后通过Mimics,Hypermesh和Abaqus等软件,构建正常的膝关节三维有限元模型.并对其施加不同载荷进行仿真及应力分析.结果与结论:①实验构建的膝关节有限元模型,能够准确地体现膝关节的几何结构和生物力学特性,可模拟膝关节的多种运动,并有效进行膝关节生物力学的研究;②模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,外翻的角度范围为3.34°-6.13°;内旋角度范围为1.56°-29.17°;股骨相对胫骨有明显的后移,其范围是4.36-7.23 mm;③股骨软骨、胫骨软骨和半月板在0°的最大接触应力分别为1.45,1.03和2.59 MPa;而60°的最大接触应力分别为6.41,6.73和8.65 MPa;④上述数据说明,在模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,膝关节外翻的角度范围较小,相对稳定;而膝关节内旋角度范围相对较大.股骨软骨和胫骨软骨的接触应力随着屈曲角度的增大而逐渐增大;内、外侧半月板的接触应力变化不同,内侧半月板的接触应力变化较大,相反外侧半月板的接触应力相对平稳,变化较小,且内侧半月板的接触应力大于外侧半月板的接触应力.
关键词：膝关节胫股关节屈曲生物力学有限元分析胫骨股骨半月板软骨接触应力组织工程骨关节生物力学
分类号：R318(医用一般科学)
资助基金：国家自然科学基金(11472185)国家自然科学基金(11772214)
论文发表日期：2018-01-01
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：7( 4975-4981 )
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