全膝关节力学行为的数值模拟和实验研究

摘要

膝关节处在人体髋关节与踝关节之间，是下肢活动的主要关节。膝关节的发病率随着年龄的增长不断提高。现在骨关节病开始呈低龄化趋势，在将来会有更多的人受到关节病的困恼。骨关节病不仅影响人们的运动和生活质量而且在一定程度上威胁到高龄患者的生命。研究膝关节的力学特性对于预防和治疗关节病以及膝关节运动性损伤都有重要的指导意义。
　　本文基于膝关节CT扫描数据结合，三维重建软件 Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio以及有限元软件ABAQUS，重建出包括完整胫骨、股骨、髌骨、腓骨、半月板、关节软骨以及主要关节韧带在内的全膝关节三维有限元模型。利用本文所建立的膝关节模型，计算并分析了生理载荷下膝关节的力学特性以及不同弯曲角度对膝关节力学行为的影响。结果显示，内侧软骨和内侧半月板所受应力大于外侧；半月板内缘受力大于外缘受力，内缘容易被磨损。膝关节中半月板磨损或缺失会导致应力分布不均，造成关节疾病的恶化。随着载荷的增加，关节软骨和半月板的应力随之增加。膝关节从0°到90°的弯曲过程中，随着弯曲角度的增加，软骨和半月板上的应力随之增加。0°时所受应力最小，90°时所受应力最大。膝关节从0°弯曲到40°时，软骨和半月板的最大应力均出现在内侧，从40°到90°的弯曲过程中，软骨和半月板上的最大应力位置由内侧转移到外侧。在整个弯曲过程中，应力值从大到小的顺序依次为，半月板，胫骨软骨和股骨软骨。通过有无韧带模型的比较发现包括韧带的模型保证了膝关节在冠状面、矢状面以及横断面内的自由度，使模型与真实膝关节更为接近。
　　为了验证数值计算结果，作者制作了人工股骨，胫骨，腓骨和髌骨组合模型，对应人工骨结构建立人工骨有限元模型，进行压缩加载分析，得到关节应变分布规律；针对数值模拟结果进行实验方案的设计，采用电测方法进行人工骨膝关节压缩实验，得到人工骨膝关节应变的变化规律。将电测实验的应变结果与数值模拟的应变结果进行对比分析，解释膝关节在压缩载荷下的应变变化规律，说明数值模拟的有效性和适用性，同时可以证明本文建立膝关节方法的可行性。本文从数值模拟和实验角度对膝关节力学行为进行研究，对提高人们保护膝关节的意识、减少关节损伤以及生物器械、假体的设计优化都有重要的意义。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容和特色

第二章 人体自然膝关节

2.1 膝关节解剖结构

2.2 膝关节的三维运动

2.3 膝关节生物力学特点

2.4 本章小结

第三章 膝关节有限元模型的建立

3.1 Mimics中膝关节几何模型的建立及优化

3.2 膝关节模型实体化

3.3 膝关节有限元模型的建立

3.4 本章小结

第四章 人体全膝关节在生理载荷下的有限元结果及分析

4.1 考虑韧带的全膝关节有限元分析

4.2 未考虑韧带膝关节的应力分析

4.3 关节韧带对膝关节承载能力影响的分析

4.4 本章小结

第五章 人工骨膝关节数值模拟与电测实验

5.1 人工骨膝关节有限元仿真

5.2 人工骨膝关节电测实验

5.3数值模拟结果与实验结果的比较

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 前景与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢