逆动力学步态仿真髌股关节生物力学有限元分析

摘要

为了分析髌骨脱位患者行走步态下的髌股关节内生物力学表现，建立了健康髌股关节、Ⅰ度髌骨脱位和Ⅱ度髌骨脱位的髌股关节有限元模型，利用逆动力学仿真输出了步态周期中所需的关节力与肌肉力作为有限元分析载荷边界条件，并计算分析步态支撑期内3组模型在4种屈膝角度（10°、20°、26°、30°）时刻的髌股关节应力分布和接触面积．研究结果表明髌股关节间过大的接触应力和接触面积的减小是导致膝前痛患者出现疼痛和代偿性步态的原因，Ⅱ度髌骨脱位患者症状更为严重．4种角度下Ⅰ度髌股脱位关节股骨侧的关节间应力峰值为8.67 MPa，髌骨侧为10.56 MPa，相比健康关节分别增加了354%和293%；Ⅱ度髌股脱位关节股骨侧的关节间应力峰值为14.27 MPa，髌骨侧为14.88 MPa，相比健康关节分别增加了647%和453%；在取得应力峰值的角度下Ⅰ度髌骨脱位和Ⅱ度髌骨脱位模型的关节间接触面积分别是健康关节的29.12%和25.41%；异常的关节间接触面和过高的关节间应力导致髌骨脱位模型的应力峰值屈膝角度由20°变为30°，并引起关节软骨退变．

关键词

生物力学 / 髌股关节 / 逆动力学仿真 / 有限元分析 / 步态周期