《膝關節術後脛-股、髕-股關節動態接觸應力分布預測仿真》是依託北京航空航天大學，由黃榮瑛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：膝關節術後脛-股、髕-股關節動態接觸應力分布預測仿真
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：黃榮瑛
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
膝關節是人體中最重要、最複雜的關節，它是保持人體靜、動平衡、維持人體下肢運動的重要結構。它也是關節中最易受損、發病率最高的部位。在膝關節的創傷手術中，又以三類重建手術占主要比例：前交叉韌帶重建，損傷半月板修復與重建和全膝關節置換。本研究主要致力於三類重建手術術後在運動模態下的脛-股、髕-股關節動態接觸應力分布仿真研究，基於從2D醫學CT/MRI圖像重構3D膝關節模型的基礎，主要從事以下五方面的研究：1.膝關節粘彈性特性與仿真；2.建立膝關節屈/伸中運動/動力模型；3.研製視覺測試系統測試人體運動模態並建立運動模態向脛-股、髕-股關節的映射算法；4.建立三類重建術後局部關節運動/動力調整模型，構建術後與正常脛-股、髕-股關節運動/動力模型綜合及一致性處理算法；5. 運動模態下三類重建術後膝關節脛-股、髕-股關節動態接觸應力預報仿真。研究目標是通過仿真在術前對術後的關節功能恢復提供預測。
結題摘要
摘要: 膝關節是人體最大的運動與支撐關節，剛柔一體，結構複雜，而因外裸性又極易損傷。損傷後通過修復手術恢復膝關節功能，但術後膝關節使用性能不能完全如人所願，出現誘發膝關節綜合病症及關節功能的早期失效。為保障修復手術品質，使術後膝關節趨近正常膝功能，本項目以前交叉韌帶重建、半月板損傷切除和移植及全膝關節置換術後膝為對象，通過有限元仿真實驗，分析與預測術後膝動態屈曲過程的力學特性。 本項目通過自製俯臥式膝關節屈曲角度MRI掃描支撐架，採集了健康正常右膝直立位CT及屈曲角度（0度、25度、60度、80度）的MRI掃描圖像數據，對該右膝CT/MRI數據套用Mimics8.1與Geomagic軟體建立了膝關節損傷修復（包括損傷組織切除、ACL重建、同種異體內側半月板移植及全膝關節置換）模型，在對修復模型定義各種不同力學環境的條件下套用ANSYS 11.0與Abaqus 6.8.1軟體進行了直立位與屈曲角度（0度、25度、60度、80度）的有限元仿真，獲得修復術後膝關節直立位及屈曲過程的軟骨、半月板、韌帶及移植物和假體上的應力分布特性、關節面間的接觸力、韌帶張力特性及隨屈曲角度的應力分布變化特性等。基於並在線上構及螺旋理論建立了正常膝關節機構及TKA後膝關節運動模型，套用2012ADAMS與MATLAB 軟體，通過對正常膝關節機構運動的模擬，得到隨屈曲角膝關節韌帶的變形特性和股骨相對脛骨的轉角特性，通過對TKA後膝關節的運動模擬，得到含假體膝關節屈曲角（0度-120度）內的股骨內側/外側髁前/後移動特性及內/外旋轉特性；在此基礎上，進行了屈曲角度（0度-100度）內的含假體全膝關節承受軸向壓載荷時的應力遮擋分析，仿真結果表明脛骨上的應力遮擋最明顯，使用骨水泥會增加應力遮擋效應。 本項目主要研究成果體現於膝關節屈曲角度圖像數據採集，不同修復術後屈曲過程的膝組織應力變化特性預測，正常與TKA後全膝關節運動學仿真及應力遮擋特性預測。本項目的研究結果為分析與評價膝關節修復術後品質提供技術、方法及基礎數據。也為降低修復術後膝關節功能的早期失效、降低手術返修率提供方法與技術。
