【摘 要】
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研究目的:根据落地动作的实际需求,建立包含骨、软骨、半月板和韧带等结构的膝关节有限元模型,定义各组织间的接触和关节各部分材料属性,并验证模型的有效性。以便于利用有限元模型结合运动实验数据分析落地动作的膝关节内部结构生物力学,为落地动作引起的运动损伤提供参考。研究方法:MRI影像数据:志愿者为一名29岁、体重60千克、身高170厘米,右侧膝关节无既往病史的女性,采用仰卧位,膝关节屈曲0°,采集膝关节
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第十一届全国体育科学大会论文摘要汇编
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研究目的:根据落地动作的实际需求,建立包含骨、软骨、半月板和韧带等结构的膝关节有限元模型,定义各组织间的接触和关节各部分材料属性,并验证模型的有效性。以便于利用有限元模型结合运动实验数据分析落地动作的膝关节内部结构生物力学,为落地动作引起的运动损伤提供参考。研究方法:MRI影像数据:志愿者为一名29岁、体重60千克、身高170厘米,右侧膝关节无既往病史的女性,采用仰卧位,膝关节屈曲0°,采集膝关节MRI影像数据。膝关节的有限元模型主要包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨、软骨、半月板、髌韧带、交叉韧带以及侧副韧带。利用Mimics16.0提取膝关节MRI数据,包括骨、软骨和半月板,建立膝关节三维几何模型。利用HyperMesh14.0对模型进行四面体网格划分,骨性结构和软骨结构网格边长设置为4毫米和1毫米。利用Abaqus6.14依据解剖结构,使用弹簧连接器模拟交叉韧带、侧副韧带与骨连接、韧带与半月板之间、半月板前后角与胫骨平台的连接以表达力学特性。弹簧定义为受拉不受压的弹性材料。材料属性:骨包括皮质骨和松质骨两部分,皮质骨以壳单元模拟,松质骨以实体单元模拟。所有材料定义为各向同性的弹性材料,皮质骨:杨氏模量15000MPa,泊松比0.3;松质骨:杨氏模量1100MPa,泊松比0.3;软骨:杨氏模量12MPa,泊松比0.45;半月板杨氏模量59MPa,泊松比0.49。弹簧刚度（N/mm）:前交叉韧带前后束:6200和3400,后交叉韧带前后束:12500和1500;内侧副韧带浅表前中后三束和深部束:2500、2600、2700和1500;外侧副韧带束:2000;髌韧带束:1500;半月板前横韧带和半月板股骨韧带:49;半月板前后角与胫骨平台的连接:400。接触属性:股骨软骨和半月板、股骨软骨和胫骨软骨、半月板和胫骨软骨以及髌骨软骨和股骨软骨的接触软骨定义为面-面无摩擦的接触关系。股骨和股骨软骨、胫骨和胫骨软骨、髌骨与髌骨软骨、交叉韧带和股骨胫骨、侧副韧带和股骨胫腓骨的连接定义为绑定关系。有限元模型验证包括:1.直立状态下胫-股关节接触面面积和软骨、半月板的最大应力值;2.膝关节不同屈曲角度的前交叉韧带应力。对比仿真结果与文献实验值,验证模型的有效性。根据文献中的实验方法设计设定有限元模型边界条件:统一固定股骨三个自由度和胫腓骨的屈伸自由度,再依次设定1.膝关节屈曲0°时,分别施加在胫骨下端轴向向上的载荷200N、500N和1000N以模拟胫-股关节面接触;2.膝关节屈曲0°时,分别在胫骨下端施加350N和700N的轴向向上载荷模拟软骨和半月板最大应力;3.膝关节屈曲0°、5°、10°、20°、30°时,分别在胫骨前端施加水平向前的100N胫骨前剪切力模拟前交叉韧带受力。分别对三种要求对共计10组膝关节有限元模型进行数值计算。研究结果:1.接触面积:200N、500N和1000N载荷时的胫股关节接触面面积分别为445.65mm2、881.15mm2和1335.0mm2,对应文献值（平均数±标准差）分别为690±150mm2、960±170mm2和1150±200mm2。软骨和半月板应力值:350N载荷时股骨软骨、半月板和胫骨软骨最大应力值为0.88Mpa、3.55Mpa和0.85Mpa,对应文献值0.535Mpa、2.605Mpa和0.492Mpa;700N载荷时股骨软骨、半月板和胫骨软骨最大应力值为1.27Mpa、6.67Mpa和1.42Mpa,对应文献值0.952Mpa、5.076Mpa和0.984Mpa。3.前交叉韧带应力:膝关节屈曲0°、5°、10°、20°和30°的前交叉韧带应力分别为138.6N、131N、126.2N、145.9N和124.5N。对应文献值（平均数±标准差）分别为144±49N、132±41N、130±40N、118±31N和102±26N。研究结论:建立基于MRI影像数据的包括骨、软骨、半月板和韧带的膝关节三维有限元模型,有限元仿真结果与文献实验结果相近,模型在保持膝关节解剖结构的同时能够模拟关节力学特征,保证了有限元的有效性和可靠性,膝关节有限元模型可以进一步结合实验数据进行膝关节内部结构的生物力学研究。
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