运动学和力学性能的膝盖以下膝取代全膝关节置换术和膝盖骨的保留

文摘

膝盖受伤是一种常见的医疗问题。运动学和力学性能的全面理解膝盖以下全膝关节置换术(TKA)修复利用膝置换术(只有膝盖骨被替换的基础)和膝保留外科技术仍缺乏。在当前,我们调查了磁共振(先生)成像数据从膝盖修复这两个方法和评估全膝关节模型使用成像重建技术,模拟步态创建条件。结果显示,膝置换对胫股的运动学影响不大,尽管tibia-surface等效应力略有增加。相比之下,膝置换髌骨关节有显著影响;膝内部旋转,外部旋转,medial-lateral翻译都增加了。此外,对膝假体应力分布发生改变,导致表面最大等效应力增加相应的区域。此外,在步态周期中,我们发现该地区最大等效应力改变了立场。最后,髌骨关节显示减少运动的稳定性。从运动学和力学的角度,本文表明髌骨应该保留在TKA如果它是可能的。 The present study presented approaches and technologies for evaluating kinematics and mechanical properties of total knee joint after TKA under gait loads.

1。介绍

作为人类的主要支持联合运动,膝盖是容易损坏。最终,修复膝关节关节面损伤的最佳治疗方法是全膝关节置换术(TKA),取代膝盖假肢的关节面,从而恢复膝关节功能。膝盖手术技术的不断改进和关节假体的要求要求准确地模拟膝关节功能,步态下的膝盖问题运动学动态加载和接触属性后TKA受到密切关注。

例如,2002年,神et al。1首先介绍了有限元方法和研究股骨和胫骨植入物的力学性能在TKA步态加载下的膝盖。随后,在2005年,哈洛伦et al。2]膝盖TKA后,进行了有限元分析的结果,准确地预测并发实验研究的结果。2007年,奈特et al。3]扩展有限元法的应用生物力学问题通过调查植入TKA后穿。因此,2012年,沃卓斯基等。4)回滚特色检查膝关节假体的影响在髌骨关节力量和显示,假肢TKA患者缓解关节疼痛和细长的假体的使用寿命。同样,2011年,沃克et al。5)建立标准评估膝关节假体通过研究三种不同的运动学膝关节假体。

膝关节是一个非常复杂的结构。胫股的和协调的复杂耦合关系和髌股关节在运动/步态很难研究TKA-repaired运动学和力学特性的动态步态加载条件下的膝盖。在这项研究中,我们分析和比较总膝关节运动学和力学性能在步态周期后膝置换与膝保留TKA。然后膝置换的影响和膝保持TKA全膝关节功能进行评估。研究步骤包括膝关节建模、机械模拟髌骨保留或更换PS-type假肢在动态步态负载下,胫股的比较和髌股的运动学和接触压力的膝盖PS-type假肢。这项研究的结果将提供的新技术和方法评估置换手术对膝关节运动学和力学性能的影响。

2。方法

2.1。TKA膝关节建模

膝关节模型包含两个部分。

(1)PS假肢建模。PS假肢提供北京Chunlizhengda医疗器械公司MicroScribe G2三维扫描仪来扫描每一个全膝关节假体获得几何结构,并导入Geomagic Studio 8.0为进一步优化也为Solidworks模型简化修复和重建。

(2)TKA后膝关节建模。TKA后,膝盖模型由髌保留或PS假肢替换膝关节模型。最初,一个正常的膝关节模型创建基于CT和MR数据正常的膝盖。随后,股骨和胫骨切根据手术过程6]。最后,剩下的股骨、胫骨和PS假肢装配创建全膝关节模型。正常膝关节MR数据被扫描收购一个学生志愿者医生的监督下。

2.2。TKA后全膝关节模型

模拟总TKA后膝关节由主要的简化模型,有限元建模和动态步态加载的定义。

(1)膝关节模型简化。根据(7- - - - - -11),韧带(前交叉(ACL),韧带(PCL),内侧抵押品(制程)和横向抵押品(拼箱))和周围的肌肉是由弹簧;具体来说,股四头肌和髌韧带由2束春天的元素刚度系数为2000 N /毫米和1142 N /毫米,分别。制程是由三个包春天的元素(即表示。,anterior bundle, deep bundle, and oblique bundle), while the LCL was comprised of a single bundle of nonlinear spring elements. The medial/lateral springs’ stiffness coefficients and deformations were from [9- - - - - -11)和表所示1。

(2)全膝关节有限元模型。使用有限元分析的有限元模型是由6.11 [5,10- - - - - -14),包括材料特性的定义、连接关系、边界条件和约束,网格生成。

骨组织是简化为各向同性线弹性材料17 GPa的弹性模量和泊松比为0.3。股骨假体是cobalt-molybdenum合金79 GPa的弹性模量和泊松比为0.3。胫骨假盘是钛合金的弹性模量70 GPa和泊松比为0.3。的UHMWPE(超高分子量聚乙烯)胫骨插入和膝假体使用非线性弹塑性变形的材料属性。

膝关节假体的不同组件之间的耦合关系进行定义。股骨髁股骨假体之间的关系和部分,胫骨假体和胫骨部分,胫骨假体和胫骨衬垫被定义为整合。股骨假体之间的接触和聚乙烯插入、髌骨软骨,和股骨假体被定义为滑动摩擦,摩擦系数为0.004 (1,2,9]。

边界条件和约束的定义如下:髌骨并不局限,股骨和假体的运动是有限的弯曲和扩展的胫骨假体与外弯曲和扩展有限,并将和改变运动方向并不局限。

C3D10四面体网格元素被用来实现自由网格生成,以及髌骨保留的模型和替换TKA分为81052和78397的元素,分别。全膝关节在TKA和相应的有限元模型如图1。

(3)应用动态加载。有三个主要过程利用步态时动态加载应用。(1)根据标准的ISO 14243 - 1,步态周期被分成四个主要国家(12,13,15- - - - - -19]:脚跟罢工(HS)、单肢立场1 (SLS1)、单肢立场2 (SLS2)和脚趾()。步态加载曲线也分为四个区域(如图2)来分析人类的步态周期的运动和力学特性在TKA之后。(2)加载曲线转换成离散数据利用分段多项式拟合技术实现动态加载的人工膝关节步态周期运动模拟TKA之后。步态弯曲和步态负荷控制的拟合函数与Matlab编程,包括步态弯曲功能,轴向力加载功能,前后的力加载功能,内部和外部旋转扭矩加载函数。(3)步态动态负载应用于总TKA后膝盖。线连接的旋转中心股外侧和内侧股骨上髁被定义为轴的弯曲(图2(一个)),轴力应用于中心的股外侧和内侧上髁轴力加载函数(图2 (b)轴力),其中60%用于内上髁和40%的中心轴力是应用于外侧上髁20.]。(图的前后的力量2 (c)(图)和内部旋转的时刻2 (d))应用于胫骨植基于前后的力函数和内外旋转功能。所有的相互重合的数据2(一个)- - - - - -2 (d)步态周期的时间百分比。

2.3。动态模拟的全膝关节髌保留和替换步态载荷作用下

动态模拟的全膝关节髌保留和替换在步态加载在有限元分析6.11执行通过显式动力学有限元分析。数据收集在一个步态周期间隔5%。膝治疗方法对关节功能的影响进行了分析通过比较等效接触应力值的关节面和运动特征股胫关节和髌股关节。

3所示。结果

3.1。总额的运动学膝关节髌保留和替代TKA之后

3.1.1。在步态负载下股胫关节的运动学

股胫关节的相对运动曲线的两种模型的仿真结果如图3和4。结果显示,膝盖骨的保留和膝置换股骨前后的翻译几乎没有影响。相似的值和趋势可以观察到两个模型的前后的翻译的内侧和外侧上髁中心。在整个步态周期,外侧和内侧股骨上髁后方,步态周期的峰值在55%左右。膝盖骨的保留模型,股外侧和内侧的后翻译上髁是5.3毫米和7.5毫米,分别在膝置换模型,分别的值是5.8毫米和7.7毫米。这些结果类似于哈发现以前et al。2]报告5.1毫米的最大后验翻译步态周期的60%。

对两种模型,胫骨内部和外部旋转及其变化显示出类似的结果。在步态周期的0% - -20%,内部胫骨旋转2.2°,保持稳定步态周期的从20%降至45%,达到55%(6°),此时内部旋转开始逐渐减少。这些结果与以前的报告是一致的(1),观察到的最大内部旋转5°。

股高峰后翻译和胫骨旋转内部都发生在约55%至60%的步态周期,脚起飞时的地面和胫骨轴力小。身体的重心转移,膝关节是受高内部旋转,后力的时刻。

3.1.2。在步态负载下髌股关节的运动学

图5显示了膝髌股的运动学在步态周期中保留和替换TKA膝盖。膝置换TKA显著增加膝动作膝保持TKA相比。此外,膝倾斜,内部旋转,内侧/外侧翻译都显著提高。膝屈曲是不变。因此,髌骨关节运动稳定性下降后膝置换TKA。膝弯曲变化曲线显示,股胫关节弯曲变化略大的膝置换和膝盖骨的保留模型,最大弯曲角度的39°和46.3°,分别观察到70%的步态周期。

为模型,第二高和最大髌骨倾斜发生在步态周期的20%和50%,分别,等于1.8°和4.6°的膝盖骨的保留模型和2.8°和8.4°的膝盖骨的替代模型。膝内部旋转显示一个类似的趋势倾斜;第二高和最大内部旋转在20%和55%的步态周期0.6°和1.5°膝保持模型和1°和2.8°的膝盖骨的替代模型。

膝lateral-medial翻译显示两个模型之间的明显差异,但变化趋势是相似的。膝前内侧移动到最大价值然后横向到最小值实现之前再次内侧移动到最大价值。峰值、最小和最大价值发生在20%(1.7毫米),35%(0.3毫米),和55%(2.4毫米)的步态周期,分别。膝置换模型、峰值最小,和极大值发生在15%(2.6毫米),35%(1毫米)和55%(3毫米)的步态周期,分别值显著高于膝保持模型表明减少膝关节的稳定性。

3.2。在步态负载下力学性能TKA膝关节

3.2.1之上。在步态负载下股胫关节的机械性能

股胫关节在步态负载下的力学性能进行了分析应力等高线和最大应力变化的UHMWPE胫骨托盘在步态周期,从而说明两个模型的机械股胫关节之间的差异。

UHMWPE胫骨盘的应力分布是由压力等高线在典型的国家,海关,SLS,(图6)。结果表明,两个模型的应力分布是相似的。在步态周期中,高应力主要集中于胫骨内侧髁SLS2(步态期间使用居多),。此外,等效应力和等效应力区外侧髁略增加可能由于重心的位移。

一个直方图的最大等效接触应力峰值UHMWPE胫骨托盘在步态周期如图7。结合数据6和7的力学性能,胫骨托盘表中列出2。表2表明尽管胫骨盘的应力分布是相似的两个模型,膝置换导致压力升高,这可能加剧胫骨盘磨损。

图8显示胫骨托盘接触应力的变化曲线在步态负载的情况下。结果表明,两个模型展示了类似的变化,达到50%的步态周期和获得第二个最大应力值为20%。然而,应力一直高膝置换模型比膝保持模型。为模型,在步态周期的0% - -10%,脚跟罢工越来越胫骨轴向力。同时,胫骨盘压力达到17.1 MPa和18.6 MPa为内部旋转运动和胫骨前力,分别。当整个脚与地面接触的胫骨轴向力略减少由于身体向前运动。因此,步态周期的30%胫骨托盘接触应力相应减少,值为13.4 MPa和14.77 MPa为内部旋转运动和胫骨前力,分别。然后,随着地面的脚开始推和分离,我们发现轴向力增加,达到最大接触应力值26.35 MPa和29.23 MPa的胫骨前运动和力,分别。脚从地面举起后,胫骨轴向力和胫骨托盘接触应力都大幅下降。综上所述,这些研究结果表明,接触应力的变化反映了膝盖支撑力量在步态的变化。

3.2.2。TKA后机械性能的髌骨关节

髌骨关节被描述的力学性能通过使用表面膝压力等高线,直方图的最大等效应力和最大等效应力变化曲线。图9显示了压力的膝盖骨的表面轮廓或膝假体表面。考虑到弯曲的角度会影响膝最大等效应力,脚趾关闭状态分为两种状态:树立了,拽着。在树立,胫股的弯曲角度是8°和轴向力为2434 N。与此同时,在拽着,脚脱离地面时,轴向力达到168 N与56°弯曲。可以看出膝保持TKA相比,膝置换髌骨关节面应力分布的改变,导致增加峰值应力区域,最大等效应力,显著不同的峰值应力区域。

结合数据9和10的应力分布,髌骨和髌膝盖植入物被发现与轴向力和髌胫股的弯曲角除了治疗方法。在较高的轴向力和股胫关节弯曲,观察等效应力峰值的增加。膝置换TKA后,膝植入显示等效应力峰值显著升高,可能由于接触表面的变化和损失的髌软骨保护缓冲。具体地说,在海关,等效应力峰值为8.31 MPa和11.44 MPa的膝盖骨的保留和膝置换模型,分别比上年增长37.67%。在SLS1,两个模型的等效应力峰值为13.67 MPa和15.41 MPa,分别比上年增长12.73%。在SLS2,值9.35 MPa和12.25 MPa,分别比上年增长31.02%。在树立,等效应力峰值为14.97 MPa和17.33 MPa,分别比上年增长15.75%。最后,在拽着,等效应力峰值为19.87 MPa和23.5 MPa,分别比上年增长18.27%。这些结果清楚地揭示膝置换模型中等效应力峰值增加。

从图可以看出11髌骨和髌植入物表现出相似的变化峰值等效应力在步态周期。然而,膝植入压力明显高于。45%步态周期的脚离开地面,但由于高胫股的弯曲角度的调整身体重心改变导致了关节力矩和一个步态周期的峰值应力在55%和75%之间时,应力显著改变。然后,随着步态周期进行到下一个和重心被成功转移,胫股的弯曲角度逐渐减少,从而导致髌等效应力降低。

4所示。结论

在这项研究中,两个膝盖的运动学和等效应力模型(膝盖骨的保留和膝置换)比较在步态周期。结果显示如下:(1)膝置换对胫股的运动学和力学性能几乎没有影响,虽然它产生稍微增加胫骨盘压力;(2)膝置换显著减少髌骨关节的运动学和力学性能在步态周期;髌骨倾斜,内部旋转,前后翻译相比都显著增加膝固定方法;同时,膝置换髌骨关节的应力分布改变,导致增加高压区域;最后(3)膝保持TKA相比,膝置换不影响对胫股的运动变化和髌股关节和关节峰值等效应力的变化在步态周期。总之,TKA保留手术后人体膝盖组织。此外,这里的结果表明膝保持方法相比更有益的长期影响膝替换。

但是本文只分析了膝盖运动学和力学简化模型;这只是部分全膝关节TKA术后的属性。此外,如果结果是一些实验,验证了本文将更有意义。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

本文已被国家自然科学基金委支持的(中国)国家自然科学基金基金(批准号50975013)。

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