虚拟置换后的膝关节力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.006

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (52): 8974-8980.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.006

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虚拟置换后的膝关节力学分析

彭鳒侨¹，张占磊¹，钟世镇²，何二兴¹

¹广州医科大学附属第一医院，广东省矫形植入骨科重点实验室，广州骨科研究所，广东省广州市 510120；²南方医科大学临床解剖学研究所，解放军医学生物力学重点实验室，广东省广州市 510515

修回日期:2013-11-09 出版日期:2013-12-24 发布日期:2013-12-24
通讯作者: 何二兴，硕士，主任医师，广州医科大学附属第一医院，广东省矫形植入骨科重点实验室，广州骨科研究所，广东省广州市 510120 18922346634@163.com
作者简介:彭鳒侨☆，男，1967年生，广东省台山市人，汉族，2008年University of Alabama, U.S.A.毕业，博士，高级工程师，主要从事数码骨科方面的研究。 PengJQ@gyfyy.com
基金资助:
广东省科技厅国际合作项目(#2011B050400029)*；广东省自然科学基金项目(#S2011010005011)*；广州市科技局对外合作项目(医药卫生#12S092020083)*；广州留学人员创业启动项目(#20100804)*；广州市教育局“十一五”规划项目(高等教育#10A074)*；广州市教育局科研重点项目(医疗科技#2012C005)*；广东省高教学会高等教育十二五项目(#11GJB125081)*；中华医学会医学教育研究项目(#20101435)*

Mechanics analysis on knee joint after virtual replacement

Matthew Jian-qiao Peng¹, Zhang Zhan-lei¹, Zhong Shi-zhen², He Er-xing¹

¹Orthopedic Institute of Guangzhou First Affiliated Hospital at Guangzhou Medical University, Joint Implantation Key Laboratory of Guangdong Province, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China; ²Clinical Anatomy Institute of Southern Medical University, Medical Biomechanics Key Laboratory of Chinese Liberty Army, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Revised:2013-11-09 Online:2013-12-24 Published:2013-12-24
Contact: He Er-xing, Master, Chief physician, Orthopedic Institute of Guangzhou First Affiliated Hospital at Guangzhou Medical University, Joint Implantation Key Laboratory of Guangdong Province, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China 18922346634@163.com
About author:Matthew Jian-qiao Peng☆, Doctor, Senior engineer, Orthopedic Institute of Guangzhou First Affiliated Hospital at Guangzhou Medical University, Joint Implantation Key Laboratory of Guangdong Province, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China PengJQ@gyfyy.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：仿真力学具有可重复性和对模型无损伤性的优势，加上个性化结构模型提高了有限元分析的可靠性，选择虚拟置换后对膝关节的力学分析不失为一种优化尝试。
目的：通过膝关节置换虚拟手术，用有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况，为下一步“手术规划”实验提供客观资料。
方法：CT/MR扫描患侧膝关节，激光扫描假体，经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线, 根据膝关节置换标准，用Mimics中的Simulation性能模拟膝关节置换手术的截骨、置入假体之后, 再将所得的模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷，以有限元法分析接触应力分布。
结果与结论：获得最佳的全膝关节置换后3D膝关节有限元模型，测得的力学数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得的结果基本一致。以有限元方法分析出虚拟置换后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况，有利于寻找假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果，成为手术规划不可缺少的数据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 关节置换, 三维建模, 模拟手术, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Simulative dynamics provides advantages of repeatable and non-invasive to a model. Additionally, structural model of individualism improves the reliability of Finite Elemental Analysis. It is an optimal attempt to analyze mechanics of knee joint after virtual replacement surgery.
OBJECTIVE: To achieve dynamic information of contact stress upon knee joint surface by finite element analysis surgery for total knee arthroplasty postoperatively, and to provide objective data for further “surgery plan”.
METHODS: After scanning affected knee joint by CT/MR and scanning knee prosthesis by laser instrument, a model composed of prosthesis, knee joint as well as its ligament was rebuilt computationally; dynamic lines were measured. After prosthesis installation & osteotomy performed by facility of Simulation in Mimics according to knee joint replacement standard, this model was imported into ANSYS so as for Meshing, Material assignment, load applied. Stress distribution was analyzed by Finite Element Method.
RESULTS AND CONCLUSION: The best finite element model of postoperative TKA 3D knee joint was obtained; dynamic data were tested to be approximately agreeable to those previous studies of direct measurement upon prosthesis. The experiment of analyzing structural deformation, stress distribution & internal energy change benefits to search the best position for prosthesis installation, osteotomy and surgical result prediction. Thus, these are indispensable data in surgery plan.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Key words: finite element analysis, arthroplasty, replacement, knee, imaging, three-dimensional, computer simulation

中图分类号:

R318

彭鳒侨，张占磊，钟世镇，何二兴. 虚拟置换后的膝关节力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(52): 8974-8980.

Matthew Jian-qiao Peng, Zhang Zhan-lei, Zhong Shi-zhen, He Er-xing. Mechanics analysis on knee joint after virtual replacement[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(52): 8974-8980.

图/表（结果） 6

CT/MR影像在Mimics辅助下提取出股骨、胫骨部分，并分离出内、外侧副韧带3D模型，见图1；用LPX配备的逆向软件Piciform Droll塑造出来的关节假体曲面被拟合成为表面光滑的可供编辑的电脑辅助设计(Computer Aided Design) CAD模型，见图2。

在Mimics中测量下列参数，以寻找临床上最佳的截骨角度和假体置入位置，以期置换后的膝关节处于最佳的受力位置，见图3。①股骨远端截骨面：股骨髁内外径、股骨髁前后径、前外侧髁高度、前内侧髁高度、前髁宽度、后外侧髁高度、后内侧髁高度、后外侧髁宽度、后内侧髁宽度。②胫骨截骨面：平台外侧髁前后径、平台内侧髁前后径、平台宽度。③截骨块：测量厚度为主(最厚处)。④后倾角：胫骨截骨后倾角。截骨模型确定后，虚拟置入假体，见图4。

把在Mimics软件中装配好的膝关节模型以及在LPX配备的逆向软件 Piciform Droll 塑造出来的关节假体曲面导入到ANSYS，单击Generate生成图5；经除噪、过滤、光顺、抛光、网格化等处理后如图6。

对膝关节进行线性力学分析以检验全膝关节置换后的关节受力，并不需要完全模拟人体的膝关节受力情况，而假体材料质地均匀，故可把骨骼、韧带设为各向同性的连续线弹性材料，在ANSYS软件中赋值予泊松比、弹性模量后见图7。

为了简化实验过程，只分析直立位时膝关节的受力情况，见图8。在日常生活中，当两腿同时站立时膝关节受力处于静态，无肌力产生、无弯曲力矩，分别承受膝关节以上体质量的一半(约为体质量的0.43倍)，作用方向垂直向下。假如研究对象的体质量为70 kg，单膝承重G=总体质量70 kg×43%=30.1 kg≈300 N。本实验界定胫股关节面为非摩擦、非线性接触，固定胫骨端，直立位时在股骨近端垂直方向施加载荷300 N的压力，膝关节屈曲60°时，股骨近端加载垂直向下280 N，股四头肌施加800 N向上拉力，与Q角保持平行。

根据以上实验数据归纳出胫/股骨假体位置不良时胫股关节接触面受压状况如下：①股骨假体内外移位对关节面间接触应力的影响：中立位放置股骨假体、内外侧胫股关节间隙接触应力伸直位时为最小，随着膝关节屈曲角度的增加，这种应力均呈逐渐增长趋势；在膝关节伸直位、假体中立位时，内外侧胫股关节最大接触应力为最小，当股骨假体在冠状面上发生了内外移位时均导致内外侧胫股关节间隙接触压峰值的升高。②股骨假体的内外旋植入偏差对关节面间接触应力的影响：股骨假体的内外旋放置对内外侧胫股关节间隙接触应力影响不大，应力的变化主要表现为应力区域在小范围内的变动。③股骨假体的内外翻植入偏差对关节面间接触应力的影响：当股骨假体内翻放置时，内侧胫股关节间隙接触应力反应明显，随着内翻角度的增大，接触应力急剧增加；而股骨假体外翻植入时，外侧胫股关节间隙接触应力也增大，但没有内侧那么明显。④胫骨假体后倾角变化对关节面间接触面积和接触应力的影响：在设置胫骨截骨面垂直于胫骨平台时观察到，无论后倾角如何变化，胫股内侧关节接触面积始终大于外侧关节接触面积，胫骨后倾角在膝关节屈曲45°时胫股关节接触面积均为最小；当受力恒定时，接触面积与接触应力成反比。因此，在膝关节屈曲 45°时胫股关节接触应力最大。

此外，在垂直于下肢机械轴(即后倾角0°)截骨时，应力分布在聚乙烯衬垫接触面的内、外侧不均匀(局部有应力集中现象)，随着膝关节屈曲角度的变化，内外侧关节面的最大接触应力也有较大的波动；而在垂直于胫骨平台截骨时，应力分布均匀、无集中现象，主要分布在聚乙烯衬垫接触面的中心，最大接触应力随膝关节屈曲角度的波动较小。

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引言

材料方法

设计：生物医学类型组织工程研究。

时间及地点：于2012年1至12月在广州医科大学第一附属医院、广州骨科研究所完成。

对象：选择2012年1至12月期间在广州医科大学第一附属医院体检或准备施行全膝关节置换的患者共40例，男18例，女22例。

器材、设备、软件：①日本Toshiba公司生产、型号AquilionTSX-101A、切层厚度 0.5 mm、配备高压注射器的16排计算机体层CT扫描机。②荷兰Phillps公司生产、型号Intera1.5T Nova、切层厚度< 1 mm的MR扫描机。③Roland公司生产LPX-60三维激光扫描仪。④比利时Materialise公司生产的Mimics-13医学成像仪^[32]。⑤Swanson Analysis System Inc．(SASI）通用结构分析软件ANSYS 13.0。

假体：采用由医疗器械有限公司提供的全膝关节固定平台假体，假体型号根据手术需要选取。

方法：

虚拟手术：①力学建模：把CT/MR的Dicom数据导入Mimics后，在程序指令Threshold下设置阈值为标准的成人骨质范围226-1 778 HU^[34]；在指令Region Growing下对初步阈值分割蒙板上彼此不相连接的分割区域进一步细分亚组，提取出股骨、胫骨部分；在Editing Masks指令下对蒙板分割修补、去除干扰、修补漏洞；经程序指令Calculate计算显示骨骼与周围组织界限，并把内、外侧副韧带分离出来，这样，3D关节模型初步建成。3D假体模型的建立，是通过LPX-60激光扫描获得的关节假体原始数据输逆向工程软件Dr. PICZA重建出来。②力线测量：包括实验侧下肢的机械轴线，股骨、胫骨解剖学轴线，股骨解剖轴与下肢机械轴的夹角，股骨前缘的厚度、股骨内外髁连线、股骨内外髁连线与后髁连线的夹角，股骨内外髁的宽度，胫骨后倾角、胫骨关节面前后径和横径的距离。③假体植入：根据②中股骨、胫骨的测量数据确定假体型号，并把①建立起来的骨骼、韧带模型和假体模型导入Mimics在Simulation模块中，按照Depuy全膝关节置换操作要领，将膝关节假体置入截骨完全的股骨、胫骨上，令截骨面与膝关节假体的接触间隙小于1 mm。

力学分析：①导入模型：启动 ANSYS Workbench的创建分析栏目，导入上述几何体。②网格划分：选择Outline中的Mesh指令，在Details of Mesh下设置参数，然后选择Generate Mesh指令执行自动网格划分，单元采用10节点四面体，划分模型单元数16 495-63 977和节点数4 370-98 307。③材料赋值：在Gngineering Data指令下加入需要的材料属性，对骨骼、韧带、假体等结构赋值，主要包括弹性模量(GPa)和泊松比。④施加载荷：执行Supports-Fixed Support指令以固定胫骨及假体；选择Loads-Pressure指令确定施加力量的大小和方向；单击Solve指令求解。最后分别查看Equivalent Stress(等效应力)和Equivalent Elastic Strain(等效应变)云图。⑤有限元分析：从结果中提取聚乙烯衬垫的接触应力分布云图，并提取等效应力和接触应力的最大值作为分析值。

主要观察指标：①建模外形与实体标本的相似程度比较。②置换后有限元模型的模拟单元、节点及构成组件。③对模型施加载荷后股骨侧与假体的应力分布。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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讨论

有限元法广泛应用于模拟分析各种工程力学、电热磁学等物理场问题，其主要原理是将求解域看成是由许多称为有限元的互连小域组成，给每一单元假定一个近似的解，然后对满足总域的条件求解，从而推导出问题的解。在有限元法则指引下，首先设定模型的条件，尽可能模仿物体实况，如几何约束、固定载荷、材料特性等，然后对模型进行模拟受力分析和抗疲劳实验，以获得不同实验条件下模型的变形、应力的分布、内部结构的变化、极限破坏程度等资料。这种有限元理论(Finite Element Theory， FET)自克拉夫(Clough)教授于20世纪40年代初首次提出之后^[40-41]，紧随计算机技术的发展成为分析工程力学的主要工具，它适应各种复杂形状，具有时间短、成本低、可重复、计算准确、外部因素干扰小等优点。为此，Brekelman和Rybick教授^[40]首次将有限元方法应用于骨科的生物力学研究。现在，有限元分析的应用已升级到以仿真力学实验来分析骨骼的结构应力、内外固定器械的开发、人工关节假体的设计、临床手术效果的评价。

本研究利用虚拟置换后的膝关节有限元模型进行有限元分析，以期术前预判到真实的临床全膝关节置换后关节面间的接触应力情况，结果与实验前的设想相符。作者采用16排CT和切厚< 1 mm的MR扫描膝关节，并以操作简易的非接触法Dr. PICZA激光采集假体表面数据，其360°的平面智能扫描精度可达0.2 mm，同时以目前最优的医学成像仪Mimics 确保了建模的准确性，加上ANSYS工程仿真技术集成平台Workbench执行材料定义、几何建模、网格生成、求解设置等任务，增加了分析的有效性。在广东省矫形植入骨科重点实验室的这些精密硬件的支持下，经过精细操作总结出 “关节面间接触应力”与“股骨假体内外移位”、“股骨假体的内外旋和内外翻植入偏差”、“胫骨假体后倾角变化”四者的关系，与Matsuda等^[41]及Shiramizu等^[42]用力学实验对假体直接测试所获得的结果基本一致。验证有限元模型有效性的常用方法有：①将实验结果与临床现象印证，它便于操作但验证效果最差。②建立尸体标本模型重复同样的力学实验比对结果最科学，缺点是工作量大、费用昂贵。③本研究采用与既往类似文献结果比较，优点是工作量小，缺点是不够严谨。另外，由于膝关节是复杂结构的力学单元，股胫关节、伸膝装置和内外侧副韧带并不代表全部^[43]，故不能保证结论绝对准确。认识到这些长处并进一步完善短处可望在后续研究中减少实验误差。

仿真力学以数字形式模拟人体骨骼肌肉系统的结构、赋值、负荷，并以有限元方法来分析机体的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况，逐渐成为生物力学研究的主流。这种方法对所建模型无损伤，且可重复利用，为此，在其他学者研究的基础上做了进一步的尝试。通过膝关节及其假体的三维重建，把置入后的关节及假体导入到有限元软件中进行仿真力学分析，以确定假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果，由此收集到的数据也为下一步“手术规划”实验奠定了基础。

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虚拟置换后的膝关节力学分析

Mechanics analysis on knee joint after virtual replacement

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