肘關節接觸壓力分布的實驗和有限元仿真研究

《肘關節接觸壓力分布的實驗和有限元仿真研究》是依託太原理工大學，由郭媛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：肘關節接觸壓力分布的實驗和有限元仿真研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：郭媛
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

本項目通過實驗測量和有限元仿真方法，研究肘關節在不同運動情況下的接觸壓力分布及韌帶的應力分布。使用高速攝影方法獲得肘關節的運動學數據；採用應變計陣列測量肘關節在屈-伸和前臂旋前-後等運動時肘關節接觸壓力的分布；通過有限元分析軟體，建立肘關節的三維有限元模型，模型包括：肱骨、尺骨、橈骨、各關節軟骨、內側副韌帶和外側副韌帶以及環韌帶等相關的組織。對建立的肘關節模型，分別進行屈-伸、前臂旋前-後等運動時的有限元分析，得到肘關節接觸壓力的分布及韌帶的應力分布。對比實驗測量和有限元分析結果，得出結論。.本項目對於認識肘關節的運動原理，深入理解在不同運動情況下肘關節接觸壓力的分布等具有重要意義；對於預測肘關節的退化機制、肘關節的磨損、術前計畫和術後康復具有重要的學術意義和臨床意義；對於肘關節假體的設計、肘關節置換術及其臨床套用具有重要的學術意義和套用價值。

結題摘要

目前，儘管肘關節骨關節病的發生報導率不是很高，但通過實際的臨床診斷和分析可以發現，因患者不太重視關節的微小疼痛，從而引起肘關節軟骨的損傷持續增加，並最終導致骨關節病的患者呈上升趨勢。本項目針對人體運動、外部載荷對肘關節的影響進行了研究。主要工作可分為三個部分：在日常運動時，肘關節的運動學分析、動力學分析以及肘關節接觸壓力的有限元仿真分析。通過對人體上肢運動過程的拍攝和處理，獲得了標誌點的三維運動學數據；通過對人體上肢運動的逆向動力學分析，計算並得到上肢運動過程中關節力矩、關節反力以及肌肉力的變化情況；基於人體上肢的CT掃描圖像序列，建立了包括完整骨骼，肘關節，關節軟骨以及主要韌帶的人體上肢三維有限元模型。通過與其他學者的研究數據比較，證實了模型的合理性和有效性。本項目得到的主要結果如下：在肘關節的各種運動過程中，肘關節繞X軸旋轉（屈-伸方向）的角度變化明顯，而繞另外兩個軸的旋轉角度變化幾乎為零；通過逆向動力學分析可知，水平位的運動比豎直位的運動具有較高的關節反力值、肌肉力值和肌肉活性值；在大多數情況下，長骨方向的關節反力數值最大，因此分析中應該主要考慮此方向的關節反力、接觸壓力等；通過對日常活動的有限元仿真分析，得到了運動過程中肘關節各關節面的接觸壓力、接觸面積，各骨骼、韌帶、軟組織的應力分布情況。並將有限元分析結果與逆向動力學的結果進行了對比。通過分析在不同運動情況下上肢各部分的運動學數據，可以為有限元模型的仿真分析提供運動學數據。在臨床上，運動分析也可以診斷運動相關疾病以及進行運動康復訓練。通過上肢運動逆向動力學的分析，可以理解人體骨骼-關節-肌肉系統的運動機制，並在此基礎上協助臨床診斷，制定相關疾病的康復訓練計畫。通過建立人體上肢有限元模型，研究肘關節接觸壓力的分布，對於預測肘關節的退化機制、肘關節假體的設計、術前計畫和術後康復等具有重要的意義。