髌股关节紊乱关节镜手术干预对髌股关节生物力学改变的三维有限元分析

来源 :贵阳中医学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:war_and
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目的:通过收集髌股关节紊乱患者的关节镜手术干预前后的膝关节CT及MRI扫描图像,利用MIMICS三维重建及ABAQUS三维有限元软件,建立髌股关节紊乱患者的术前、术后髌股关节三维有限元模型。在此基础上,计算并对比分析关节镜手术干预前后髌股关节接触面积与接触压力的应力分布的变化情况,从而全面了解外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术方法对髌股关节的生物力学改变的影响,为恢复髌股关节动态稳定的重要性进一步提供理论依据。  方法:1.通过对确诊的髌股关节紊乱患者行膝关节镜下外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术,收集通过西门子Emotion6螺旋CT机及西门子Avanto1.5T超导磁共振仪对患者术前、术后的膝关节分别扫描获取膝关节CT及MRI图像,并将获得的CT及MRI图像以DICOM格式保存备用。2.将保存为DICOM格式的术前、术后CT及MRI图像分别导入MIMICS软件中获取骨骼、韧带、关节软骨层的边界;导入Magics模块后行蒙罩分割,再对该模型进行网格化等,最终生成术前、术后髌股关节三维有限元模型;然后,将建好的模型分别导入ABAQUS有限元分析软件中,对术前、术后的髌股关节三维有限元模型施加200N载荷下模拟膝关节屈曲(30°,60°,90°,120°)后的生物力学变化进行计算并比较分析。  结果:成功建立了髌股关节紊乱患者关节镜手术干预前后的髌股关节三维有限元模型并对其进行了生物力学分析,结果显示:在加载200N载荷下关节镜手术干预前后模型在屈曲(30°,60°,90°,120°)时髌股关节的接触面积术后组(526.9mm2、696.8mm2、504.8mm2、307.7mm2)较术前组(55.98 mm2、293.8 mm2、206mm2、118.5mm2)明显增大,髌股关节最大应力值术后组(1.687MPa,1.809MPa,1.418 MPa,9.325 MPa)较术前组(2.072 MPa,3.418 MPa,3.248 MPa,10.86 MPa)明显减小,髌股关节最大应变术后组(0.0065,0.0016,0.0017,0.0174)较术前组(0.0063,0.0047,0.0061,0.0186)变小,综合分析以上三组数据提示髌股关节紊乱患者行关节镜手术干预后其髌股关节生物力学环境得到了改善。  结论:1.首次通过结合髌股关节紊乱患者的膝关节CT及MRI的图像,运用MIMICS建模软件及ABAQUS三维有限元软件成功建立了髌股关节紊乱患者关节镜手术干预前后的髌股关节三维有限元模型,并分别对其髌股关节的接触面积及关节应力应变情况进行了观察计算及对比分析。  2.三维有限元生物力学分析数据显示关节镜干预后髌股关节的接触面积较前明显增大,应力应变较前明显减小,这证明关节镜干预后患者髌股关节严酷的力学环境得到了重新分配;也提示髌股关节如出现轨迹异常应尽早干预,以免长期异常力学环境下造成髌股关节软骨损伤,严重的甚至形成髌股关节炎;同时也为恢复髌股关节稳定的重要性提供了理论依据。
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