不同屈曲状态下固定轴和移动轴膝关节胫-股关节的生物力学变化

高 辉，王晨艳，李 志，王文治，王长江，陈 静，陈维毅

(太原理工大学 a.机械与运载工程学院，b.生物医学工程学院，太原 030024)

膝关节是人体所有关节中构造最为复杂的关节，是维持人体下肢运动的重要结构。研究膝关节的生物力学性能，是骨科临床中的重要课题。由于年龄、先天生理构造、运动复杂以及不合理的运动，在人体中的所有关节中，膝关节的发病率一直居高不下。人工膝关节置换术(TKA)经过近30年的发展，已成为治疗由运动伤害或骨关节炎引起的膝关节损伤的主要手段[1]。在对膝关节的生物力学研究中，进行人体实验存在实验周期长、费用高以及无法分析关节接触面积和接触应力随屈膝角度的实时变化等缺点[2]。利用有限元方法对膝关节进行三维建模分析有助于了解膝关节的运动情况和损伤机理，可为膝关节疾病的有效防治和人工膝关节的优化设计提供参考和指导[3-6]。

有限元法可以计算出不规则几何体的应力特点，故其在生物力学领域被学者们广泛使用[7]。使用有限元建立膝关节三维模型，第一次建出三维膝关节模型时，缺少髌骨[8]；后来重建了包括半月板的膝关节有限元动态模型，但仍缺少软骨和韧带[9]；之后建立了完整膝关节，但研究的是在静态作用下胫股关节间的接触应力和接触面积[10]；最近依据不同膝关节屈曲角度时的静态力学分析结果建立了膝关节动态有限元模型，但仍与人体膝关节的真实运动情况有所差异[11]。……