论文摘要
一、研究背景和目的前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)是膝关节重要的前向稳定结构,损伤后可以产生明显的膝关节前向不稳,严重影响膝关节功能,随之继发关节软骨、半月板等主要结构损害,导致关节退变和骨关节病的早期发生。尽管目前对ACL解剖、功能以及治疗方法的研究很多,但是还没有学者能够确切的解释ACL维持关节稳定及发生损伤的生物力学机制;并且ACL损伤后目前重建效果也不尽理想,应该说其根本原因在于对正常ACL的解剖功能和各种运动状态下生物力学分布了解尚少。近几年人们逐渐开始重视ACL生物力学研究,根据不同的实验目的,采用尸体实验研究的方法获得了一些相关的生物力学实验数据,然而实验生物力学研究方法有其固有缺陷如:费用高、难以模拟所有工况且不能获得ACL全域性的力学分布信息等。作为ACL这种边界条件和结构形状都不规则的复杂问题,三维有限元法是对其结构进行力学分析的行之有效的方法,然而目前国内尚未见相关研究报导,国外研究所建立的ACL有限元模型也还远未达到完善地步。本课题目的为建立逼真的反应ACL真实几何结构的三维实体模型,在此基础上划分网格建立ACL有限元模型,为ACL结构进行力学分析以及进行仿真试验提供平台;同时引入材料属性、设定边界条件及附加载荷进行有限元分析计算,获得ACL应力的空间分布,为指导我们对ACL损伤的预防、治疗及康复提供详尽的生物力学理论依据。二、研究方法1、选取正常国人男性尸体膝关节为标本,于伸直位时用半环槽支架固定。然后去除关节囊,髌骨、髌腱及支持带,股四头肌腱、腘肌腱、后交叉韧带、半月板、内外侧副韧带等软组织,只保留股骨远端、胫骨近端、ACL及其完整附着点,用Cyberware3030三维激光扫描仪对标本进行扫描,获得点云数据。运用逆向工程技术,在Imageware软件中进行股骨远端、胫骨近端、ACL及其止点的轮廓提取、配准、参数化调整,再导入软件UG中通过穿越曲线构建实体的功能进行三维实体造型。2、将在UG中建立的三维实体模型存为IGES文件,利用Abaqus良好的界面处理和网格划分功能用四面体实体单元进行了自由网格划分(Free meshing)。由于韧带材料是非线性材料,选用的单元类型为修正的二阶四面体杂交单元(C3D10MH)。网格大小参数设置根据本实验分析的重点采取精细与经济兼顾的原则,使网格化后产生的单元既不能太少,以保证有一定的模拟精度,又不能太多,以减少分析时间及对计算机硬件的需求。3、在ABAQUS有限元软件将已划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载强制位移载荷,进行有限元结构非线性计算,观察ACL的受力及其在载荷条件下的应力空间分布。三、研究结果1、首次应用激光扫描仪对国人ACL进行旋转扫描,在UG中成功的建立了再现同一个体包括膝关节软硬组织的三维实体模型,该模型可以任意角度、任意视图和剖面观察,并且可以读入有限元软件中进行进一步的ACL生物力学分析。2、在Abaqus软件中建立了包括股骨远端、ACL、胫骨近端在内的三维有限元模型,其中股骨部分共有节点4989个,单元21890个,胫骨部分共有节点3193个,单元15680个,ACL部分共有节点13943个,单元8841个,整个模型共有节点22125个,单元46411个,该模型的网格精度明显优于以往建立的有限元模型。3、通过材料属性、边界条件及载荷的引入成功的进行了有限元分析计算并获得了ACL在胫骨前向负荷中的总节点力与位移的关系、ACL应力空间分布的应力云图。有限元分析结果较好的符合了前人实验及临床研究结论,所获得的数据可进一步应用于ACL损伤研究、人工替代物的研制以及康复治疗中。四、研究结论运用逆向工程技术,采用激光扫描仪获取几何数据信息,可以快速、高效的建立更真实的膝关节三维实体模型,ACL形状及相对位置更符合实际情况。此模型可用于各种工况的有限元分析及作为今后深入研究的原始模型。应用三维有限元法能够良好的进行ACL生物力学研究,通过网格的划分、材料属性、约束条件及载荷的引入,较准确的模拟了在膝关节伸直位胫骨前向负荷条件下的ACL应力分布,所获得的计算结果,具有临床实际意义。因此它是一种实用的生物力学研究方法,可作为ACL实验生物力学研究方法的有益补充。