前交叉韧带重建手术对膝关节处组织的影响

admin · 发表于昨天 08:09

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膝关节是人体运动的重要关节，也是人体最大结构最复杂的关节之一，其中关节处的前交叉韧带损伤（断裂）是膝关节常见损伤之一，严重者易对患者造成关节不稳定，使胫骨前移，容易导致半月板后角撕裂，关节软骨退行性变等症状，为恢复韧带功能，需进行重建手术。然而，由于手术的复杂性以及重建后需长时间的观察评价的特点，使得术后效果完全取决于医生的经验，这也易导致国家医生缺乏和患者治愈效果差的后果。随着计算机技术、图像技术、生物力学等相关领域的发展，在术前对关节进行三维模型重建以及关节在承载时进行应力仿真、运动学分析等都有着独特的优势，不仅能够提高医生的手术效果，对于手术过程也有着指导意义和参考价值。本文应用MIMICS医用三维软件对膝关节处的CT和MRI图像进行了分割和渲染等处理，运用Geomagic Studio逆向工程软件对关节处股骨、胫骨、半月板等组织进行了表面光滑处理和NURBS曲面生成，从而建立了形状逼真的关节模型，也适合于后续在ANSYS平台下进行有限元分析。首先，为分析移植隧道对股骨和胫骨的影响，根据韧带单束和双束重建的特点，在ANSYS软件平台下建立了含移植隧道与完整骨组织的有限元模型，按照压缩、弯曲、扭转三种载荷分别对股骨和胫骨进行加载，结果表明移植隧道对骨组织的力学性能影响较小；另外，在假定移植隧道起止点能确定的条件下，提取隧道直径、矢状面角度和冠状面角度三个特征参数，对移植隧道位置的确定进行了正交试验，结果表明，三个参数对股骨力学性能影响较小，而对胫骨力学性能影响明显。其次，为分析重建手术对软骨的影响，针对正常成人和小孩股骨模型进行有限元分析，结果表明股骨从形态上有助于保护软骨；并建立成人正常、单束、双束关节模型，分析骨组织材料变化对软骨承载应力的影响以及移植隧道重建前后软骨承载应力的变化，结果表明随着骨组织弹性模量的减小，软骨所受应力逐渐增大；在同种压缩载荷下，移植隧道重建后，软骨所受应力有减小趋势。最后，为分析重建隧道对半月板应力分布的影响，根据胫股关节解剖学和运动特点，以及参考其他学者的实验数据，建立一种新型空间机构模型来模拟关节运动，分析了各束韧带在关节运动时长度变化的特点；同时，在ADAMS软件平台下仿真、SOLIDWORKS软件平台下重新装配各组织，得到30、60、90三个位置处关节模型，对各模型分别添加压缩载荷，分析移植隧道重建对半月板承载应力的影响。结果表明无论单束还是双束重建，半月板在同等载荷下所受应力都有增大的趋势，说明重建手术加大了半月板在接触过程中破坏的可能性。本文所得到的各结论对临床手术有着一定的指导意义，同时对关节损伤研究和关节损伤后康复训练过程分析不失为一种实效方法。

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