后交叉韌帶完全斷裂對外側(cè)副韌帶繼發(fā)損傷影響的生物力學(xué)三維有限元分析.pdf

1、目的:利用MRI掃描所得的斷層圖像及ANSYS三維有限元軟件,建立包括后交叉韌帶(posterior cruciate ligament,PCL)和外側(cè)副韌帶(lateralcollateral ligament,LCL)在內(nèi)的人全膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,并模擬PCLⅢ度損傷,計算和分析正常膝關(guān)節(jié)模型及PCLⅢ度損傷的膝關(guān)節(jié)模型中LCL應(yīng)力分布及變化情況,以期全面了解PCL的損傷是否會對后外側(cè)角(posterolateral corner

2、,PLC)中的重要結(jié)構(gòu)之一LCL產(chǎn)生影響,LCL是否可以由于代償PCL損傷后部分缺失的功能而導(dǎo)致其繼發(fā)損傷,從而進(jìn)一步為PCL及LCL損傷的臨床診斷及治療提供理論指導(dǎo)。
　　 方法:利用Siemens1.5T超導(dǎo)磁共振儀采集一名正常男性志愿者膝關(guān)節(jié)的矢狀面質(zhì)子密度加權(quán)(PDWI)圖像及橫斷面、矢狀面脂肪抑制的T2加權(quán)(T2WI)圖像,將圖像文件以Dicom格式導(dǎo)入到工作站電腦保存。利用3D-DOCTOR軟件分別在質(zhì)子密度加權(quán)矢狀

3、位圖像采取股骨、脛腓骨、髕骨邊界,在脂肪抑制的T2加權(quán)橫斷位圖像采取主要韌帶邊界,矢狀位圖像采取半月板、關(guān)節(jié)軟骨層邊界。將從3D-DOCTOR軟件中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化(IGS文件),獲得每個層面邊界的三維空間坐標(biāo)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件,利用ANSYS軟件的建模功能,根據(jù)點、線、面、體自底向上的建模原則,獲得膝關(guān)節(jié)三維空間模型,對該模型的每個部分進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,最終生成膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。
　　 對建立的正

4、常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型分別施加彎曲力矩、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋力矩,模擬正常膝關(guān)節(jié)屈曲30°、60°及內(nèi)外翻、內(nèi)外旋運動,計算并記錄四條主要韌帶(PCL、LCL、ACL、MCL)的平均應(yīng)力值及等效應(yīng)力分布云圖。
　　 在已建立的正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型基礎(chǔ)上除去PCL,模擬PCL的Ⅲ度損傷(完全斷裂)。對PCLⅢ度損傷的有限元模型進(jìn)行上述同樣的力學(xué)分析,記錄LCL平均應(yīng)力值及等效應(yīng)力分布云圖、LCL股骨附著部、腓骨附著部的等效應(yīng)力(Vo

5、n Mises Stress,VMS)峰值。
　　 結(jié)果:建立了人全膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,并在該模型的基礎(chǔ)上模擬了PCL斷裂,即PCLⅢ度損傷。在三維有限元分析軟件中對正常膝關(guān)節(jié)模型及PCL山度損傷的膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行生物力學(xué)分析,證實了:1.PCL與LCL都有防止膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外旋的作用。2.膝關(guān)節(jié)進(jìn)行內(nèi)翻、外旋運動時,PCLⅢ度損傷的膝關(guān)節(jié)模型與正常膝關(guān)節(jié)模型相比較,LCL平均應(yīng)力增加,差異有顯著性(p＜0.05),并且在屈曲30

6、°、60°時較屈曲O°時增加明顯;對正常及PCLⅢ度損傷的膝關(guān)節(jié)模型分別施加15N·m外翻力矩、7N·m內(nèi)旋力距,發(fā)現(xiàn)。PCLⅢ度損傷的膝關(guān)節(jié)模型與正常膝關(guān)節(jié)模型相比較,LCL平均應(yīng)力值無明顯變化,差異無顯著性(p＞0.05)。3.膝關(guān)節(jié)進(jìn)行內(nèi)翻、外旋運動時,PCLⅢ度損傷的膝關(guān)節(jié)模型與正常膝關(guān)節(jié)模型相比較,LCL股骨附著部及腓骨附著部的VMS峰值均增加,差異有顯著性(p＜0.05);進(jìn)一步比較股骨附著部及腓骨附著部VMS峰值的增加值,

7、發(fā)現(xiàn)腓骨附著部的VMS峰值的增加值較股骨附著部的大,差異有顯著性(p＜0.05)。
　　 結(jié)論:1.利用MRI圖像及ANSYS軟件建立了人全膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,該模型能夠真實反映人膝關(guān)節(jié)的各個解剖結(jié)構(gòu),模擬膝關(guān)節(jié)的多種運動,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行膝關(guān)節(jié)各韌帶結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析。2.建立了去除PCL的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,有效地模擬了膝關(guān)節(jié)PCLⅢ度損傷。3.三維有限元分析證實了PCL和LCL在為膝關(guān)節(jié)提供穩(wěn)定性時,都有防止膝內(nèi)翻、外