后交叉韧带完全断裂对外侧副韧带继发损伤影响的生物力学三维有限元分析

摘要

目的:利用MRI扫描所得的断层图像及ANSYS三维有限元软件,建立包括后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)和外侧副韧带(lateralcollateral ligament,LCL)在内的人全膝关节三维有限元模型,并模拟PCLⅢ度损伤,计算和分析正常膝关节模型及PCLⅢ度损伤的膝关节模型中LCL应力分布及变化情况,以期全面了解PCL的损伤是否会对后外侧角(posterolateral corner,PLC)中的重要结构之一LCL产生影响,LCL是否可以由于代偿PCL损伤后部分缺失的功能而导致其继发损伤,从而进一步为PCL及LCL损伤的临床诊断及治疗提供理论指导。
　　 方法:利用Siemens1.5T超导磁共振仪采集一名正常男性志愿者膝关节的矢状面质子密度加权(PDWI)图像及横断面、矢状面脂肪抑制的T2加权(T2WI)图像,将图像文件以Dicom格式导入到工作站电脑保存。利用3D-DOCTOR软件分别在质子密度加权矢状位图像采取股骨、胫腓骨、髌骨边界,在脂肪抑制的T2加权横断位图像采取主要韧带边界,矢状位图像采取半月板、关节软骨层边界。将从3D-DOCTOR软件中所得到的数据进行数字化(IGS文件),获得每个层面边界的三维空间坐标。将数据导入ANSYS有限元分析软件,利用ANSYS软件的建模功能,根据点、线、面、体自底向上的建模原则,获得膝关节三维空间模型,对该模型的每个部分进行有限元网格划分,最终生成膝关节三维有限元模型。
　　 对建立的正常膝关节三维有限元模型分别施加弯曲力矩、内外翻、内外旋力矩,模拟正常膝关节屈曲30°、60°及内外翻、内外旋运动,计算并记录四条主要韧带(PCL、LCL、ACL、MCL)的平均应力值及等效应力分布云图。
　　 在已建立的正常膝关节三维有限元模型基础上除去PCL,模拟PCL的Ⅲ度损伤(完全断裂)。对PCLⅢ度损伤的有限元模型进行上述同样的力学分析,记录LCL平均应力值及等效应力分布云图、LCL股骨附着部、腓骨附着部的等效应力(Von Mises Stress,VMS)峰值。
　　 结果:建立了人全膝关节三维有限元模型,并在该模型的基础上模拟了PCL断裂,即PCLⅢ度损伤。在三维有限元分析软件中对正常膝关节模型及PCL山度损伤的膝关节模型进行生物力学分析,证实了:1.PCL与LCL都有防止膝关节内翻、外旋的作用。2.膝关节进行内翻、外旋运动时,PCLⅢ度损伤的膝关节模型与正常膝关节模型相比较,LCL平均应力增加,差异有显著性(p＜0.05),并且在屈曲30°、60°时较屈曲O°时增加明显;对正常及PCLⅢ度损伤的膝关节模型分别施加15N·m外翻力矩、7N·m内旋力距,发现。PCLⅢ度损伤的膝关节模型与正常膝关节模型相比较,LCL平均应力值无明显变化,差异无显著性(p＞0.05)。3.膝关节进行内翻、外旋运动时,PCLⅢ度损伤的膝关节模型与正常膝关节模型相比较,LCL股骨附着部及腓骨附着部的VMS峰值均增加,差异有显著性(p＜0.05);进一步比较股骨附着部及腓骨附着部VMS峰值的增加值,发现腓骨附着部的VMS峰值的增加值较股骨附着部的大,差异有显著性(p＜0.05)。
　　 结论:1.利用MRI图像及ANSYS软件建立了人全膝关节三维有限元模型,该模型能够真实反映人膝关节的各个解剖结构,模拟膝关节的多种运动,并在此基础上进行膝关节各韧带结构的生物力学分析。2.建立了去除PCL的膝关节三维有限元模型,有效地模拟了膝关节PCLⅢ度损伤。3.三维有限元分析证实了PCL和LCL在为膝关节提供稳定性时,都有防止膝内翻、外旋的作用,两者之间存在着生物力学上的相互作用。4.三维有限元分析证实了LCL会由于代偿PCL损伤后部分缺失的功能而导致其继发损伤,并且容易发生在膝关节屈曲位、内翻、外旋运动时,且损伤常发生在腓骨止点。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

引言

第一章 基于MRI的人全膝关节三维有限元模型的建立

1.1 材料与方法

1.1.1 膝关节模型重建数据源

1.1.2 计算机工作站

1.1.3 软件

1.1.4 重建人全膝关节三维有限元模型的具体方法步骤

1.1.5 材料属性

1.1.6 定义接触

1.1.7 边界设定、加载条件

1.2 结果

1.2.1 实验中的假设

1.2.2 应力参数的选择

1.3 讨论

1.3.1 有限元方法

1.3.2 实体建模方法及建模数据来源的比较

1.4 小结

第二章 膝关节三维有限元模型中PCL完全断裂对LCL继发损伤影响的生物力学分析

2.1 材料与方法

2.1.1 研究对象

2.1.2 计算机工作站

2.1.3 软件

2.1.4 生物力学分析的具体方法步骤

2.1.5 统计学分析方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.3.1 膝关节有限元模型的有效性

2.3.2 韧带应用解剖

2.3.3 韧带损伤

2.3.4 膝关节韧带力学结果分析

2.3.5 本模型的局限性

2.4 小结

全文结论

第一章 图片

第二章 图片

参考文献

综述:膝关节后外侧角损伤的MRI研究进展

攻读硕士学位期间完成的论文情况

致谢