全膝关节置换术后，会因为髌骨假体放置不当、支持韧带力量不平衡、髌骨截骨面不正确、置换假体本身的设计缺陷或是选择不当等原因产生髌股关节的各种并发症。髌骨周围若有症状或并发症常可反应出手术技术、元件设计或两者间的潜在问题。唯有了解导致这些症状或并发症的原因并加以改善，才能使人工膝关节置换获得更佳的效果。目前对髌股关节的力学研究大多采用实验手段，已有的模型研究工作也多集中在矢状面上的二维模型或是只包含股胫关节部分的膝关节模型的研究上，无法描述具有三维运动状态的完整膝关节的一些重要特性。为进一步对髌股关节性能进行研究，本文做了以下几点工作： 1、构建出完整膝关节三维物理(计算机辅助设计)模型。采用一位健康志愿者的膝关节CT扫描数据，通过医学断层图像处理软件得到骨骼轮廓曲线，并采用商用CAD软件重建包含股骨、胫骨及髌骨三部分的人体膝关节的骨骼三维实体模型。采用MRI(核磁共振成像)图像作为参考模板，对比CT图像选取肌肉轮廓控制点，提取肌肉轮廓，连接各个轮廓曲线质心并拟合为样条曲线，沿该曲线的两个端点的切线方向延长该曲线，并使之与骨骼曲面相交，求得曲线与骨骼曲面的交点即该肌肉的起点和终点，从而构建股四头肌直线模型。将股胫关节间韧带及其它软组织简化为十二条非线性弹性纤维束，在骨骼模型基础上根据解剖学的知识，找到各韧带在骨组织上的附着标志点，将各纤维束韧带组装在骨组织实体模型上。 2、在所构建的膝关节物理模型上，依据股骨、胫骨、髌骨以及髌股关节和股胫关节间运动学和力学关系建立方程式，建立了一个包含髌骨、股骨及胫骨的膝关节骨骼—肌肉—韧带三维动力学模型，并以股四头肌力为输入变量，模拟膝关节伸膝复健运动，通过模型计算膝关节的部分运动学和力学参数，与文献中实验数据进行比较，结果表明，该模型有效。 3、模拟并计算TKA(全膝关节置换术)后，部分假体位置参数的变化对髌股关节性能的影响。在所建立的膝关节三维模型基础上，将按照人工关节置换临床要求，选择符合模型尺寸要求的假体，对构建的膝关节进行了手术的仿真切除和假体的模拟安装，并模拟全膝关节置换术后，部分假体位置参数的变化。计算这些参数变化后，髌股关节运动学和力学参数的变化，以总结出假体位置参数变化对髌股关节性能影响的规律。结果表明，髌骨厚度增大，髌骨内倾，股骨假体外旋，股骨假体前倾都会使与髌股关节并发症密切相关的髌股接触压力增大。而髌骨厚度增大，髌骨内倾，股骨假体内旋，股骨假体前倾都会使表现髌骨力传递效率的髌韧带力与股四头肌肌力的比值增大。而髌骨内倾、股骨假体内旋以及股骨假体前倾会使与髌骨脱位半脱位密切相关的髌骨外侧位移增大。 4、计算步态周期中天然髌股关节的运动学及力学参数变化。采用Hires运动分析系统，根据人体测量学数据和特殊标记点(Marker)分布的算法，进行了人体下肢步态运动分析实验，将运动分析结果转化为人体下肢骨骼的运动学和力学数据。并以文献中下肢肌肉力的EMG(肌电信号)设定股四头肌力，计算步态过程中髌股关节的运动学和力学参数变化。计算结果表明，在下肢分别处于全足放平、站立中相以及摆动减速的阶段，髌骨有较大的外侧位移，也就是步态中这些时段较易发生髌骨外脱位现象。在整个支撑相，由于该下肢支撑身体重量，髌股关节也出现较高接触压力。而当足尖离地后，即进入摆动相后，髌股关节接触压力迅速减小。髌韧带力也有类似的变化趋势。在步态周期的10﹪附近，髌股关节接触压力及髌韧带力都出现了一个最大值，此时人的运动状态为全足放平，足着力点由足跟向足尖转移。亦即这个阶段，髌股关节及髌韧带最易出现损伤。 在国内外对膝关节的大量研究工作中，对髌股关节部分的研究相对较少。本文通过建立包含髌股关节部分的完整膝关节三维模型，分析伸膝复健运动中以及步态中髌股关节的运动学及力学特性。并讨论TKA后部分假体位置参数的改变对髌股关节性能的影响。所得到的研究结果对人工膝关节的设计及手术有实际意义。