腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析

汪嘉琪; 唐江安; 黄国华; 孔德策; 赵一丁; 龚璐璐; 潘红元; 孔德伟; 刘粤; 杨铁毅

doi:10.12307/2024.635

摘要：背景:传统观点认为绝大多数的腓骨近端骨折是不需要固定的,他人和此次研究提示,近端腓骨结构对于膝关节后外侧结构的稳定性具有重要影响,其作用机制值得研究. 目的:探讨腓骨近端骨折对于伸直状态膝关节各结构生物力学的影响. 方法:运用有限元方法进行仿真生物力学试验.选用1名健康青年男性志愿者膝关节MRI和CT影像数据资料建立伸直状态下的膝关节有限元模型,并模拟4种近端腓骨形态:模型A为完整模型,模型B为腓骨头下以远1 cm骨折模型,模型C为腓骨近端最顶端向远端1 cm的尖端缺损骨折模型,模型D为腓骨近端最顶端向远端2 cm的骨缺损模型.在股骨干上施加纵向集中载荷1 500 N,对比分析膝关节伸直状态下,4种工况下膝关节各个结构最大等效应力、最大第一主应力的分布以及改变趋势. 结果与结论:①模型A胫骨软骨、半月板外侧室最大等效应力大于内侧;胫骨平台、半月板内侧室最大第一主应力大于外侧;股骨软骨内侧髁最大等效应力大于外侧髁,股骨软骨内侧髁最大第一主应力大于内侧髁;②相较于模型A,模型C的软骨、半月板的最大等效应力和最大第一主应力大小以及分布情况无明显差异;③相较于模型A,模型B的最大等效应力上升幅度依次为内侧胫骨软骨(14.9%),股骨软骨内侧髁(13.6%),内侧半月板(6.6%);最大第一主应力上升幅度依次为内侧半月板(11.06%),内侧胫骨软骨(8.65%),股骨软骨内侧髁(7.46%);韧带的最大等效应力上升幅度依次为:腘弓状韧带(33.2%)>前交叉韧带(21.3%)>腓侧副韧带(17%)>后交叉韧带(14.3%)>前外侧副韧带(13.2%)>内侧副韧带(10.1%);④相较于模型A,模型D的最大等效应力上升趋势依次为内侧胫骨软骨(19.5%),股骨软骨内侧髁(17.9%),内侧半月板(9.9%);最大第一主应力依次为内侧半月板(14.04%),内侧胫骨软骨(13.03%),股骨软骨内侧髁(11.37%);韧带最大等效应力上升趋势依次为:前交叉韧带(25.2%)>后交叉韧带(18.9%)>内侧副韧带(18.5%)>前外侧副韧带(12.7%);⑤提示在膝关节伸直情况下,腓骨头下1 cm骨折和2 cm腓骨尖端骨缺损对内侧室软骨、前交叉韧带以及后外侧韧带复合体结构的影响较大.