不同运动状态下国产人工膝关节接触压力分布有限元分析

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摘要： 为研究力轴一致时不同运动对人工膝关节各组件接触压力的影响，拍摄下蹲、上楼梯和步行运动过程并解析得到运动学数据，基于国内厂家提供的图纸，建立人工膝关节的三维有限元模型，对其施加运动和载荷进行计算分析.结果表明：双腿直立时各组件上的接触压力峰值最小，而下蹲90°时股骨组件最大，下蹲120°时胫骨垫组件最大，上楼梯时各组件峰值介于下蹲90°和120°之间；步行过程中，单腿支撑、脚趾离地和脚跟着地时各组件的压力峰值依次降低.这表明该国产人工膝关节符合国人膝关节的解剖结构，内、外侧接触压力峰值适中且具有较大的接触面积，可以满足临床上的要求.

关键词： 人工膝关节； 接触压力； 下蹲； 步行； 三维有限元

中图分类号： R318.17； TB115.1文献标志码： B

0引言

人工膝关节置换是一种人工关节置换外科手术，切除机体已无法自行修复的关节面，用人工关节组件替代损坏的关节，可以矫正肢体力线、消除膝关节疼痛、维持关节稳定性以及恢复膝关节功能.人工关节置换适用于因骨关节炎导致的关节功能障碍者.虽然膝关节置换已成为解决骨关节炎的较为普遍的方法，且术后满意率约达90%[1]，但是由于各种原因（超高分子量聚乙烯的早期磨损，无菌松动，胫骨、股骨、膝关节失稳和胫骨平台的疲劳损坏[24]等），目前做膝关节翻修手术的病人仍有很多.

人工膝关节置换的长期性能主要依赖于运动和骨重建时产生的应力.由于走路是最主要的日常活动之一，膝关节处受到的步行周期载荷也是术后膝关节最主要的受力之一.国外有许多学者采用有限元法进行人工膝关节接触压力相关的研究[57].国内也有学者采用多种方法建立人工膝关节模型，其中，主要采用对CT/MRI等医学图像的处理建立人工膝关节模型[8]，也有一些采用逆向工程的方法[9]，还有一些学者采用针对运动分析的生物力学仿真软件（如SIMM，LifeMOD和AnyBody等），建立模型模拟人体运动，同时分析人体在不同运动情况下的受力[10].

目前，国内临床使用的人工膝关节多为欧美公司基于其民众情况设计，不完全符合中国人的解剖结构和日常活动习惯；而国产的适合中国人使用的人工膝关节较少，更不用说个性化地生产符合个体患者所需的人工膝关节.因此，有必要设计、研制符合国人需要的人工膝关节.

现有的研究基本针对步行过程中的人工膝关节进行建模和分析，其他情况下的研究、分析相对较少[911].本文基于国内生产厂家提供的图纸，建立人工膝关节有限元模型，研究力轴一致（即正常状态）时，在不同日常运动情况下（包括下蹲、上楼梯和步行等）人工膝关节各组件的接触压力分布，并与正常的膝关节和国外知名品牌人工膝关节的接触压力分布情况进行对比，为改进和提高设计水平提供参考.

1材料和方法

首先进行下蹲、上楼梯和步行等运动过程的拍摄，参考文献[12]获得相应的试验数据，为有限元分析提供基础；然后使用SolidWorks对国产人工膝关节图纸进行CAD三维建模.本文假体符合国人膝关节的解剖结构，且适用于需要进行人工膝关节置换的女性国人[13]，其股骨髁前后径与内外径的比值为0.76，符合国人临床膝关节置换手术截骨后测量的范围0.76～0.98[14]；国外厂商所提供假体的比值为0.86～0.96，数值明显偏高.假体胫骨平台内侧前后径与胫骨平台横径的比值为0.63，符合文献[14]中该值的统计平均范围（0.66±0.03）；而胫骨平台外侧前后径与胫骨平台横径的比值为0.57，也符合文献[14]中该值的统计平均范围（0.59±0.03）.

对建立的人工膝关节模型进行网格划分、材料属性设置、接触设置和边界条件设定等，然后采用LSDYNA 971求解器对相关工况进行分析和计算.