研究背景无论是膝关节初次置换还是翻修手术,关节线改变的发生率均很高,而且很多回顾性分析发现关节线升高与膝前痛、关节活动受限有相关性。关节线改变后髌股关节的正常对应关系发生变化,导致伸膝装置的受力状态、髌股关节应力及髌骨的运动轨迹发生改变,影响伸膝装置组织张力及关节活动度。TKR关节线改变后膝关节运动更为复杂,研究难度增加。正因为如此,关节线改变对髌股关节影响的相关研究很少,且绝大多数研究局限于临床随访分析,结果差别很大。究竟关节线改变对髌股关节有何影响?程度如何?这些问题至今并无定论,值得深入研究。研究髌股关节生物力学变化,首先要解决的问题是特定条件下髌股关节的对位问题。在以往的此类研究中,无论采用尸体研究、数学模型研究、二维模型研究还是三有限元模型分析,均离不开影像定位或循迹研究,使很多特定条件下的研究无法进行。而且,由于建立的模型需要实体校正,不同研究者建立的研究模型各不相同,即使采用同样条件和方法所得结果也不具可比性。因此,有必要建立不依赖于标本和影像校正的、标准的三维有限元模型,以分析特定条件下的生物力学变化。目的1、探讨不需标本和影像校正的髌股关节模型对位方法,并验证其有效性;2、利用公共数据建立膝关节三维有限元模型,用软件模拟的方法,分析TKR后膝关节线变化对伸膝装置和髌股关节力学等的影响。方法1、建模:利用CT扫描数据建立膝关节三维有限元骨骼模型,与假体装配后形成TKA后的膝关节模型。然后结合文献数据,直接用数学模型模拟髌韧带和股四头肌腱,将髌韧带和股四头肌腱定义为非线性缆索单元,根据解剖学资料定义起止点。2、(1)选取志愿者行CT、MRI扫描后建立膝关节三维有限元模型,根据膝关节的运动规律,定义髌股关节、胫股关节间的运动约束条件,在软件环境下加载至模型分析髌股关节在特定的膝关节屈曲角度时的对位情况;(2)为志愿者拍摄特定角度的正交X线片,采用双平面模型对位方法确定髌股关节关系,然后分析特定角度下髌骨与股骨的对位情况。对比二者结果,检验模型所加载约束条件的合理性。3、利用建立的TKA后的膝关节模型,加载经过验证的膝关节运动约束条件,分析TKA后关节线变化对伸膝装置、髌股关节的力学影响。结果1、建立了基于公共数据基础上的膝关节三维有限元模型及TKA后的膝关节模型,髌韧带及股四头肌腱直接用非线性缆索单元模拟,结构简单、仿真性强;2、合理约束条件下模型仿真计算与X线结合双平面对位方法所测的髌股关节接触位置及接触面积无显著性差异;3、当关节线降低时,股四头肌拉力、髌韧带拉力及髌股关节间作用力小幅减小或增加,而当关节线改变抬高超过4mm时,股四头肌拉力、髌韧带拉力及髌股关节间作用力明显增大。结论1、本文提出的建模方法简便、快捷、仿真度高,且具有普遍性的优点,为不同研究者为生物力学模型建立提供了新思路;2、经验证,根据膝关节的运动规律定义的髌股关节、胫股关节间的运动约束条件是可信的,可用于加载至仿真模型进行力学分析;3、TKA中应保持关节线改变在+4mm以内。