文摘
背景和目的。膝关节碰撞损伤在军用和民用的场景中经常发生,但很少有研究评估纵向对膝关节的影响。在这项研究中,膝盖纵向碰撞的力学响应和破坏特性进行了有限元分析和人工膝关节的影响的测试。材料和方法。基于biocollision测试高原,纵向影响实验进行4人膝关节(2在左在右膝膝盖和2)测量力和压力反应的影响。然后膝关节的有限元模型建立了从中国可见人类(CVH)的纵向影响膝关节是模拟的,压力反应的决心。膝盖的损伤反应joint-sustained纵向分析了影响实验模型和有限元分析。结果。实验和有限元模拟的影响发现,低速冲击主要导致内侧损伤和高速冲击导致内侧和外侧损伤。在膝关节的影响实验中,峰值弯曲角度是13.8°±1.2,30.2°±5.1,和92.9°±5.45和角速度是344.2±30.8 rad /秒,1510.8±252.5 rad / s,和9290±545 rad / s影响速度2.5公里/小时,5公里/小时,分别和8 km / h。影响速度8 km / h时,1膝关节股骨髁突骨折,3膝盖内侧胫骨平台骨折或骨折。有限元仿真发现膝关节内侧皮质骨应力出现早于外侧,内侧骨应力集中峰值膝盖时更明显的纵向影响。结论。实验和有限元模型证实了受伤的股骨和胫骨内侧的生物力学特征可能会损坏在纵向的影响,为预防和治疗具有重要意义的纵向影响膝关节的损伤。
1。介绍
膝关节损伤通常由交通事故引起的,运动医学,从高海拔地区(1- - - - - -3]。作为主要的人类下肢负重关节、膝关节的特点是各种活动和复杂的解剖和机械结构、机制和生物力学响应膝关节受伤一直流行的研究主题4- - - - - -7]。大量的实验研究已进行了全球研究损伤机制(8- - - - - -10]。最近发表的临床研究表明,单个fracture-free钝伤后会变厚软骨下骨损伤(11),其次是慢性骨关节病(12]。目前,关于膝关节生物力学研究主要由执行影响测试在尸体和学习膝盖骨折(13]。从影响测试不同的膝关节弯曲角度,得出提高弯曲角导致骨折负荷增加。此外,由于膝盖的复杂的解剖结构,有限元模型已经广泛应用于膝盖损伤的生物力学研究14]。然而,在日常体育和军事训练15),纵向的膝盖直接影响国家经常发生。在上面的研究中,膝关节主要是处于弯曲状态(16],研究评估纵向机械反应影响到膝盖在一个扩展的状态是相对有限的。结果,机械femoral-knee-tibiofibular结构的变化和附属结构的力学响应联合腔在维持一个纵向的影响仍不清楚。具有重要意义,探索纵向冲击损伤的机制和特点,我的膝盖在一个连续的位置,如体育和军事受伤场景。因此,这项研究的目的是研究膝盖纵向冲击损伤使用尸体膝关节的影响实验样品和有限元模型(FEM)。
2。材料和方法
2.1。膝盖的影响实验
本研究经伦理委员会批准的第三军医大学第三附属医院。
两个unembalmed尸体(4膝盖)。在实验前,膝盖x射线检查两个标本,标本骨损伤会被排除在外。膝关节标本获得使用电锯,关节囊保持完整,15厘米的近端和远端膝盖被保留。一个螺丝固定在股骨头骨水泥,螺丝是安装在一个刚性墙。胫骨端固定有螺钉,一个力传感器(cl -码- 311 a, Sinocera Piezotronics Inc .)、江苏、中国)安装测量冲击力作用于膝关节。应变仪(350Ω)连接到内侧和外侧股骨髁部的膝关节的内侧和外侧胫骨,分别测量应变在骨(图的数量1)。标本被安置于一间卧姿在膝盖的影响实验中,也就是说,髌骨在下行方向,股骨与一个固定的屏障,雪橇胫骨。
(一)
(b)
(c)
(d)
影响实验用电机牵引系统,数据采集系统(协同C架,Hi-Techniques Inc .,麦迪逊,美国),和高速摄影系统(幻影v12.1视觉研究,Inc .,韦恩,美国)。压力和冲击力信号被采样的采样频率10 kHz。牵引系统,一个撞击器被安装在一个小雪橇,总重量为65公斤。测试开始时,雪橇被拖,当它到达指定的速度。移动撞击器影响下部分的膝盖。每个主题经历了三个影响2.5和5.0 km / h的速度的影响,一旦在8公里/小时的速度的影响。
影响后,膝关节的响应进行了分析。在这项研究中,是应变值,由公式 。在这个公式,是长度变形之前,细长的长度,应变单位是1(骨骼变形是0.1%),和应变表示为 。
2.2。有限元分析
解剖膝盖来自中国的数据可见人类(CVH)第三军医大学被选中并导入到阿米拉®软件膝盖组织的边界轮廓,出口在ASCII数据格式,最后导入HyperMesh®建立初始的膝关节模型(图2);被处理的数据使用表面平滑,高阶表面创建关系密切的平滑的元素。尸体标本是保持长时间仰卧位,软骨的韧带关节的相对位置发生了改变;因此,扭曲的结构,如半月板和韧带,需要人为地构造;骨和韧带之间的联系需要重建;和一个长15厘米截骨术需要应用。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
由于不同的皮质骨和松质骨的力学性能,皮质骨和松质骨之间的边界需要准确地建立。皮质骨的厚度是1.5毫米。然后,外表面的皮质骨,软骨的界限提出了解剖学的引用。概述了边界是由一个适当的距离抵消外部生成软骨身体的几何。膝关节的软骨被设定为一个1毫米厚度的基础上,引用和解剖结构,和胫腓关节软骨厚度是0.375毫米。内侧半月板又大又薄,“C”形狭窄的前方和后方,一个“O”形外(17]。半月板的功能是稳定膝关节和膝盖转移负载(18]。胫骨平台软骨中概述的半月板边界。此外,交叉韧带之间的连接和medial-lateral侧韧带扮演非常重要的角色在关节的稳定性19,20.]。韧带模型需要基于原韧带重建模型,然后与骨(21]。
在分格,1毫米网格均匀分布在表面的半月板。都是四边形网格和分布式同心圆形的方式,和表面网格被拉长到元素但是厚度。弯月面网格划分后,软骨的胫骨的网格与半月板分离,在这个区域,软骨网格的节点与半月板的节点重合。内侧副韧带上的网格,髌韧带和胫腓关节软骨是分裂的。松质骨和皮质区域被分成1毫米网格,保证更多的六面体软组织,软组织和骨骼之间的结合区域共享相同的节点。然后,股骨软骨上的网格和横向侧韧带被分裂。完成网格划分后,材料属性、修复、组装、和加载约束模型的配置(表1),摩擦系数设置为0.1 (22]。最后,最后一个膝关节的有限元模型(图发展2)。考虑到材料的脆性特征,皮质骨被定义为失败当压力达到115 Mpa,松质骨被认为是失败当压力到达20 Mpa (23]。模型包含490978台和121499个节点。
3所示。结果
3.1。膝盖的影响实验
膝盖冲击实验的运动过程进行了分析,如表所示2速度的,2.5,5和8 km / h,膝关节的最大旋转角度是13.8±1.2°,30.2±5.1°,和92.9±5.5°,分别时,角速度分别为344.2±30.8 rad /秒,1510.8±252.5 rad / s,分别和9290.0±545.0 rad / s。表3表明,随着碰撞速度增加,骨峰值应变幅度值和平均值显著增加,每组之间有显著差异( )。
没有明显的损坏是发现半月板和韧带的影响2.5和5.0公里/小时的速度,同时影响8公里/小时的速度,一个膝盖的两个标本显示,股骨骨折轴(图3),3膝盖内侧高原显示骨折,骨折大多是分裂和归类为Schatzker IV型。碰撞应变曲线影响利率的2.5公里/小时和5公里/小时比较,表明速度呈正相关峰值应变曲线和应变时间(图4)。
(一)
(b)
3.2。有限元模拟
图5显示失败的运动过程和应力分布模式,在这2.5公里/小时的速度产生影响,例如,底部内侧胫骨首先显示失败,然后扩展到胫骨的中心,直到整个胫骨平台骨折。膝盖进一步倒在整个过程的影响。在断裂之前,股骨最大内翻角为12.28°。在5公里/小时的速度产生影响,底部内侧胫骨首先显示裂缝,然后,裂缝扩展到胫骨的中心,直到整个胫骨平台骨折。相比2.5 km / h影响速度,破坏更强烈的冲击速度5公里/小时。图还显示裂缝的底部内侧胫骨8 km / h的速度产生影响,其次是更强烈的骨折,使整个固定平面显示“粉碎性骨折”。
(一)
(b)
(c)
图6显示了骨的应变变化速度的影响。曲线表明,应变峰值发生在内侧胫骨和冲击速度越大,越早高峰出现。图中的数据7表明内侧胫骨仍在一个相对较小的应变水平的峰值应变达到在胫骨内侧。由于胫骨内侧的破坏,最大应变的应变值在破损,和压力基本上是相同的。
(一)
(b)
(c)
仿真的纵向影响膝关节内翻足的表现出不同程度的各种影响速度,如图8。前三冲击速度下的最大内翻角断裂如图9。如图10在初始裂纹之前,两个半月板上的压力迅速增加,略大于内侧外侧。当裂纹发生在内侧胫骨基地,内侧半月板的压力增加缓慢。这时,外侧半月板压力大于内侧。半月板压力速度有相同的倾向。
4所示。讨论
影响膝关节损伤是最常见的交通伤害(27)或运动伤害28]。大多数研究都是在膝盖弯曲条件下进行(29日),有相对较少的研究影响损伤的机制和特点,尤其是对膝盖损伤引起的纵向影响。在这项研究中,膝关节标本来自unembalmed尸体被使用,和直接影响测试进行了膝盖位置来模拟人类坠落伤害的发生或军事训练受伤和探索纵向影响膝关节的生物力学特征(30.]。
先前的损伤影响的实验研究主要集中在膝盖受伤机制在交通事故27]。Bose et al。31日)进行了碰撞测试40膝关节标本模拟膝关节损伤影响交通事故探索膝盖外翻角和剪切位移的门槛。阮et al。4)表明,额叶机动车和行人之间的碰撞,膝盖弯曲角,影响方向,接触表面的形状都是因素影响损伤的严重程度。
我们膝盖纵向影响实验发现,影响单位的速度呈正相关的膝盖弯曲速度和弯曲的角,表明人类的膝盖缓冲区纵向影响通过膝盖弯曲膝盖当从高水平下降,这可能与接触面积增加持久力造成半月板在膝关节屈曲变形(32]。同时,初始弯曲过程中角速度小膝盖弯曲,后迅速和角速度增加30°弯曲,这是有关膝关节屈曲过程的应力特征。我们假设骨股骨和胫骨内侧和外侧髁是相同的,和膝盖压力研究结果表明,在相同的冲击速度,内侧胫骨平台和股骨内侧髁有更大的变形,应力范围,高峰值。我们的研究发现,在影响实验使用尸体标本,膝盖受伤,但骨折很难检测而皮德森et al。33)认为在纵向膝盖受伤,影响骨挫伤大小结合时间的持久性很可能更好的措施联合损伤严重程度比孤立骨挫伤体积。
此外,研究[34)表明,内侧胫骨平台的骨矿物质密度低于外侧,内侧的原因之一是更加脆弱。浴衣等。35]研究了应力性骨折的胫骨平台,发现应力性骨折发生在中部高原,断裂位置与后内侧胫骨平台的倾斜。在我们的研究中,我们发现在膝盖纵向碰撞损伤测试中,纵向低速的影响往往导致内心的膝伤和高速碰撞常常导致内侧和外侧膝盖受伤。在实际场景中,有几个受伤风险纵向膝盖伤病影响,也就是说,男性患者, 年,特别是持续接触损伤的患者,结果,因此有必要特别关注在那些病人和尽早安排核磁共振成像和/或关节镜建议允许及时半月板修复(36]。
近年来,有限元分析已广泛应用,应用于建立联合模型,用来模拟接头应力变化在不同条件下,如应力、应变的变化后,股骨和胫骨(髋关节和膝关节置换手术3,37- - - - - -41]。进行的模拟与实验相比,使用有限元模型效率高、noninvasiveness等有优势,他们允许的权宜之计研究膝关节的力学响应。使用CVH-based膝关节解剖数据建立有限元模型能更好地模拟精确的膝关节解剖结构,虽然重建半月板及相关膝盖韧带和确保稳定的膝盖在矢状面42]。在模拟的影响实验中,模拟影响单位平均65公斤体重的变化影响速度最大限度地模拟应力应变的特征在纵向冲击过程中膝关节。仿真和实验的结果表明,膝盖开始旋转纵向冲击加载时,随着冲击能量的增加,旋转的角度增加。我们的研究结果发现,除了旋转,骨头持续紧张时膝盖联系。黄等人还表明,膝关节有限元模型能有效地模拟的特点联系在一次车祸中造成膝盖受伤(43]。
Makinejad et al。44]研究了纵向对膝关节的影响的机制,这是类似于我们的研究。他们调查了膝关节的应力和变形过程从不同的高度和得出结论,在下降过程中纵向影响膝关节更可能造成损害,但损伤分布的网站还不清楚。董et al。45]保持膝盖伸直,压缩1150 N膝关节和得出结论,半月板撕裂和部分半月板切除术可以加速膝关节损伤,有重大影响的压力峰值和剪力内侧半月板软骨,这与本研究的结果是一致的。我们的研究发现,有一个更大的内侧半月板受伤的风险,胫骨,和膝盖内侧股骨髁膝关节碰撞发生时,膝盖是直;纵向低速影响主要导致内部膝盖受伤;和高速影响导致外侧和内侧膝盖受伤。一些研究[46]显示不正确的跑步姿势引起膝内翻畸形,甚至会引起“O”形腿。纵向的应力分布和破坏特征影响膝关节受伤的尸体标本是一致的与三维有限元分析,与此同时在膝关节内侧应力性骨折看到在临床实践中,如图11。为了防止膝盖关节炎(47),还应该考虑一个更严重的内侧应力造成的损害重复纵向影响膝关节受伤在日常生活;因此,膝关节骨关节炎的发病率与膝varum较高。此外,在临床实践中,在膝关节骨关节炎的早期阶段,使用侧腓骨截骨术能减少内侧膝盖的压力可以达到良好的临床疗效48]。
(一)
(b)
(c)
5。限制
在这项研究中,碰撞实验膝关节标本用于在体外实验中,有两个优势(13和缺点。人体标本参加研究的历史,结构和强度可能是不同于年轻的标本。因此,响应来自研究可能代表那些发生在老年人。在这项研究中使用的样本数量很小,和标本经历了多个影响。然而在影响实验,累积效应的影响在不同的速度并没有考虑。膝关节有限元模型的建立是基于CVH数据而不是标本,而测试样本之间的差异和没有考虑有限元模型,并进一步验证本研究尚未完成。
6。结论
三维有限元分析和实验表明,影响压力反应特征的股骨和胫骨内侧髁的更容易损伤在不同纵向速度的影响。纵向低速碰撞往往会导致内心的膝盖受伤,和高速碰撞常常导致内侧和外侧膝盖受伤。本研究可以扮演重要的角色在提供关键数据的纵向碰撞损伤的预防和治疗膝关节。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本研究由国家重点支持的研究和发展项目(2016 yfc0800702),陆军医疗科技青年基金(14 qnp091)和中国国家自然科学基金(81772330)。