膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.014

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (31): 4658-4664.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.014

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膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析

陈文栋¹，杨光²

¹昆明医科大学第一附属医院麻醉科，云南省昆明市 650032；²常州市第四人民医院骨科，江苏省常州市 213001

修回日期:2016-05-10 出版日期:2016-07-22 发布日期:2016-07-22
通讯作者: 陈文栋，博士，主治医师，昆明医科大学第一附属医院麻醉科，云南省昆明市 650032
作者简介:陈文栋，男，1981年生，云南省剑川县人，白族，2012年昆明医科大学毕业，博士，主治医师，主要从事生物医学系统建模及仿真方面的研究。
基金资助:
常州市科技局应用基础研究计划项目(CJ20130049)

Biomechanical analysis of dynamic simulation of three dimensional finite element models of knee joint meniscus

Chen Wen-dong¹, Yang Guang²

¹Department of Anesthesiology, First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China; ²Department of Orthopedics, Changzhou Fourth People’s Hospital, Changzhou 213001, Jiangsu Province, China

Revised:2016-05-10 Online:2016-07-22 Published:2016-07-22
Contact: Chen Wen-dong, M.D., Attending physician, Department of Anesthesiology, First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China
About author:Chen Wen-dong, M.D., Attending physician, Department of Anesthesiology, First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China
Supported by:
the Applied Basic Research Project of Changzhou Municipal Science and Technology Bureau, No. CJ20130049

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

半月板三维有限元生物力学模型：随着计算机及相关软件技术的进步，有限元法发展非常迅速，在骨科生物力学领域中占有重要地位，成为了解人体骨骼力学性能非常有用的工具，模型的条件越来越接近正常标本，结构更加可信，并取得了显著研究成果。然而，半月板的生物力学研究一直是众多临床科研工作者的研究热点。

动态仿真：是一个接近真实载荷屈曲过程的根据膝关节半月板相似性能进行的生物力学模拟过程，在该过程中获取膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时的生物力学指标，揭示半月板的生物力学变化过程，有助于更好地了解半月板正常的生物力学功能变化规律。

摘要

背景：目前虽然膝关节半月板三维有限元生物力学分析的研究已有报道，对半月板的生物力学变化过程有了一定的认识，但动态仿真模拟在同一载荷条件下屈曲过程中膝关节半月板生物力学分析的报道较少。

目的：应用有限元法动态仿真模拟并分析不同屈曲角度下膝关节半月板的生物力学特性。

方法：基于正常成人志愿者膝关节MRI数据，运用医学有限元仿真软件Mimics 10.01及逆向工程软件Rapidform XOR3重建全膝关节半月板三维有限元模型，并运用高级有限元分析软件Abaqus 6.10-1仿真模拟分析该模型在承载300 N垂直载荷下屈曲过程中的生物力学变化。

结果与结论：①膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，随着角度的增加，最大应力点从内侧半月板后角胫骨附着面前缘移动到外侧半月板前角胫骨附着面后缘，且外侧半月板应力范围大于内侧半月板；②膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，随着角度的增加，最大位移点从接近内侧半月板内缘中点的地方移动到外侧半月板前外上缘，且外侧半月板的位移范围较内侧半月板位移大；③结果提示，半月板是膝关节屈曲过程中主要的承重结构，运动过程中外侧半月板的损伤率大于内侧半月板，与此处应力及位移较大有关。

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

ORCID: 0000-0002-9388-7653(陈文栋)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 膝关节, 半月板, 三维有限元, 动态仿真, 生物力学, 位移, 应力

Abstract:

BACKGROUND: At present, although the study of three-dimensional finite element biomechanical analysis of knee joint meniscus has been reported and we have a certain understanding of the biomechanical changes of the meniscus, but the dynamic simulation of the knee meniscus in the same load conditions in the process of biomechanical analysis of the knee meniscus is less reported.

OBJECTIVE: To analyze the biomechanical characteristics of the knee joint meniscus under different flexion angle by using analogue simulation of finite element method.

METHODS: Based on knee MRI data of the normal adult volunteers, the medicine finite element simulation software Mimics10.01 and reverse engineering software Rapidform XOR3 were utilized to reconstruct three-dimensional finite element model of knee joint meniscus. The advanced finite element analysis software Abaqus6.10-1 was utilized for analogue simulation and for analyzing biomechanical changes during flexion under vertical load of 300 N.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) While the knee joint flexed at 0°, 30°, 60° and 90°, with the increase of angle, maximum stress point moved from the anterior edge of tibia attachment surface of the medial meniscus posterior angle to the posterior edge of tibia attachment surface of the lateral meniscus anterior angle, and the stress range of lateral meniscus was greater than that of the medial meniscus. (2) The maximal displacement point moved from the midpoint of inner edge of the medial meniscus to the front outer-upper edge of the lateral meniscus at knee flexion of 0°, 30°, 60° and 90°. Moreover, the range of displacement of lateral meniscus was bigger than the medial meniscus. (3) These findings suggest that the meniscus is the major bearing structure in the process of knee flexion. The lateral meniscus injury rate is greater than the medial meniscus in process of exercise, which is associated with large stress and displacement.

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

Key words: Knee Joint, Menisci, Tibial, Biomechanics, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈文栋，杨光. 膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(31): 4658-4664.

Chen Wen-dong, Yang Guang. Biomechanical analysis of dynamic simulation of three dimensional finite element models of knee joint meniscus[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(31): 4658-4664.

图/表（结果） 3

2.1 模型的验证 通过获取正常成人膝关节MRI二维图像，利用医学有限元仿真软件Mimics 10.01、逆向工程软件Rapidform XOR3及Abaqus 6.10-1高级有限元分析软件建立的动态仿真有限元模型进行验证，本研究动态仿真模拟在股骨方向施加载荷垂直大小为300 N的力后，膝关节从0°-90°屈曲过程生物力学分析得出的应力结果与位移结果与Filardi^[12]和Mologne等^[13]的研究结果相似，验证该模型有效。
2.2 膝关节三维有限元模型内外侧半月板在各个角度应力分布 正常膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，其承受垂直向下的300 N力后，屈曲0°-90°的最大应力点从内侧半月板后角胫骨附着面前缘移动到外侧半月板前角胫骨附着面后缘，其大小从12.96 MPa缓慢增加到33.04 MPa；最小应力点从外侧半月板前角股骨面后上缘移动到外侧半月板后角后上缘，其大小从0.008 21 MPa缓慢变化到0.006 79 MPa，见表2及图2。从应力分布云图上看，随着角度的增加外侧半月板中间靠近前角的范围应力越来越大，内侧半月板中间的部分应力范围也慢慢变大，且外侧半月板应力范围大于内侧半月板，见图3。

2.3 膝关节三维有限元模型内外侧半月板在各个角度位移分布 正常膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，其承受垂直向下的300 N力后，在屈曲0°-90°的过程中，最大位移点从接近内侧半月板内缘中点的地方移动到外侧半月板前外上缘，位移大小从屈曲0°时的2.653 mm到90°时的6.967 mm；而最小位移点从外侧半月板前角胫骨附着面接近中心的地方移动到外侧半月板胫骨附着面内缘，大小从0.006 38 mm到 0.006 15 mm，见表3及图4。位移分布云图可以看出随着角度的变化，内外侧半月板的位移范围也慢慢增大，外侧半月板较内侧半月板位移大，见图3。

参考文献

[1] 裴国献,张元智,主编.数字骨科学[M].北京:人民卫生出版社,2009:502-503.
[2] 王洪伟,王晓红.有限元分析法在脊柱骨折研究中的应用进展[J].中华创伤杂志,2012,28(6):1074-1076.
[3] 赵凡,刘正,王炳强,等.有限元模拟单节段腰椎小关节分级切除对腰椎稳定性的影响[J].中华医学杂志,2015,95(13): 973-977.
[4] 黄振宇,董跃福.基于有限元方法的正常和早期OA膝关节生物力学行为比较[J].中国数字医学,2015,(5):6-9.
[5] 中国解剖学会体质调查委员会编.中国人解剖数值[M].北京:人民卫生出版社,2002:27.
[6] Moyer RF, Ratneswaran A, Beier F, et al.Osteoarthritis year in review 2014: mechanics--basic and clinical studies in osteoarthritis.Osteoarthritis Cartilage. 2014; 22(12):1989-2002.
[7] Donahue TL, Fisher MB, Maher SA. Meniscus mechanics and mechanobiology.J Biomech. 2015; 48(8):1341-1342.
[8] Duchman KR, DeVries NA, McCarthy MA, et al. Biomechanical evaluation of medial patellofemoral ligament reconstruction.Iowa Orthop J. 2013; 33:64-69.
[9] Hopper GP, Leach WJ, Rooney BP, et al. Does degree of trochlear dysplasia and position of femoral tunnel influence outcome after medial patellofemoral ligament reconstruction? Am J Sports Med. 2014; 42(3):716-722.
[10] DeVries Watson NA, Duchman KR, et al. A Finite Element Analysis of Medial Patellofemoral Ligament Reconstruction.Iowa Orthop J. 2015; 35:13-19.
[11] Stephen JM, Kittl C, Williams A, et al. Effect of Medial Patellofemoral Ligament Reconstruction Method on Patellofemoral Contact Pressures and Kinematics.Am J Sports Med. 2016; 44(5):1186-1194.
[12] Filardi V. Stress shielding in the bony chain of leg in presence of varus or valgus knee.J Orthop. 2015; 12(2): 102-110.
[13] Mologne TS, Cory E, Hansen BC, et al. Osteochondral allograft transplant to the medial femoral condyle using a medial or lateral femoral condyle allograft: is there a difference in graft sources? Am J Sports Med. 2014; 42(9):2205-2213.
[14] Laprade RF, Wijdicks CA.Surgical technique: development of an anatomic medial knee reconstruction. Clin Orthop Relat Res. 2012; 470(3): 806-814.
[15] Steinbrück A, Woiczinski M, Weber P, et al. Posterior cruciate ligament balancing in total knee arthroplasty: a numerical study with a dynamic force controlled knee model.Biomed Eng Online. 2014; 13:91.
[16] Barrow AE, Pilia M, Guda T, et al. Femoral suspension devices for anterior cruciate ligament reconstruction: do adjustable loops lengthen? Am J Sports Med. 2014; 42(2):343-349.
[17] Deo S, Getgood A. A Technique of Superficial Medial Collateral Ligament Reconstruction Using an Adjustable-Loop Suspensory Fixation Device.Arthrosc Tech. 2015; 4(3):e261-265.
[18] Born TR, Biercevicz AM, Koruprolu SC, et al. Biomechanical and Computed Tomography Analysis of Adjustable Femoral Cortical Fixation Devices for Anterior Cruciate Ligament Reconstruction in a Cadaveric Human Knee Model.Arthroscopy. 2016; 32(2):253-261.
[19] Toutoungi DE,Lu Tw,Leardini A,et al.Cruciate ligament forces in the knee during rehabilitation exercise.Clin Biomech. 2000;15(3):176-187.
[20] Zheng N,Fleisig GS,Escamilla RF,et a1.An analytical model of the knee for estimation of internal forces duringexercise.J Biomech. 1998;31:963-967.
[21] Huss RA,Holstein H,O,Connor JJ. A mathematical model of forces in the knee under isometric quadriceps contractions. Clin Biomech. 2000;15:112-122.
[22] Wongchaisuwat C, Hemami H,Bucher HJ.Control of sliding and rolling at natural joints. J Biomech Eng. 1984;106(4):368-375.
[23] Engin AE,Turner ST. An innovative approach to the solution of highly nonlinear dynamics problems associated with joint biomechanics.Proceedings of the 1991 Biomechanics Symposium,Ohio State University, Columbus,OH,1991:225．
[24] Engin AE,Turner ST.Improved dynamics model of the human knee joint and its response to impact loading on the lower leg. J Biomech Eng,1993;115(2):137-143.
[25] Catalfamo PF, Aguiar G, Curi J, Braidot A. Anterior Cruciate Ligament Injury: Compensation during Gait using Hamstring Muscle Activity.Open Biomed Eng J. 2010; 4:99-106.
[26] Kazemi M, Dabiri Y, Li LP. Recent advances in computational mechanics of the human knee joint.Comput Math Methods Med. 2013; 2013:718423.
[27] Erdemir A. Open Knee: A Pathway to Community Driven Modeling and Simulation in Joint Biomechanics.J Med Device. 2013; 7(4):0409101-409101.
[28] Opar DA, Williams MD, Timmins RG, et al. Knee flexor strength and bicep femoris electromyographical activity is lower in previously strained hamstrings.J Electromyogr Kinesiol. 2013; 23(3):696-703.
[29] Opar DA, Serpell BG. Is there a potential relationship between prior hamstring strain injury and increased risk for future anterior cruciate ligament injury?Arch Phys Med Rehabil. 2014; 95(2):401-405.
[30] Meng Q, Jin Z, Wilcox R, et al. Computational investigation of the time-dependent contact behaviour of the human tibiofemoral joint under body weight.Proc Inst Mech Eng H. 2014; 228(11):1193-1207.
[31] González-Carbonell RA, Ortiz-Prado A, Jacobo-Armendáriz VH, et al. 3 D patient-specific model of the tibia from CT for orthopedic use.J Orthop. 2015; 12(1):11-16.
[32] Baldwin MA, Clary CW, Fitzpatrick CK, et al. Dynamic finite element knee simulation for evaluation of knee replacement mechanics.J Biomech. 2012;45(3): 474-483.
[33] Fitzpatrick CK, Komistek RD, Rullkoetter PJ. Developing simulations to reproduce in vivo fluoroscopy kinematics in total knee replacement patients.J Biomech. 2014; 47(10):2398-2405.
[34] Fitzpatrick CK, Rullkoetter PJ. Estimating total knee replacement joint load ratios from kinematics.J Biomech. 2014; 47(12):3003-3011.
[35] Pianigiani S, Vander Sloten J, Pascale W, et al. A new graphical method to display data sets representing biomechanical knee behaviour. J Exp Orthop. 2015; 2(1):18.
[36] Nenezic D, Kocijancic I .The value of the sagittal-oblique MRI technique for injuries of the anterior cruciate ligament in the knee.Radiol Oncol. 2013; 47(1):19-25.
[37] Muhle C, Ahn JM, Dieke C. Diagnosis of ACL and meniscal injuries: MR imaging of knee flexion versus extension compared to arthroscopy. Springerplus. 2013; 2(1):213.
[38] Kosaka M, Nakase J, Toratani T, et al. Oblique coronal and oblique sagittal MRI for diagnosis of anterior cruciate ligament tears and evaluation of anterior cruciate ligament remnant tissue.Knee. 2014; 21(1): 54-57.
[39] Taketomi S, Inui H, Sanada T, et al. Remnant-preserving anterior cruciate ligament reconstruction using a three-dimensional fluoroscopic navigation system.Knee Surg Relat Res. 2014;26(3): 168-176.
[40] Araki D, Kuroda R, Matsumoto T, et al. Three-dimensional analysis of bone tunnel changes after anatomic double-bundle anterior cruciate ligament reconstruction using multidetector-row computed tomography.Am J Sports Med. 2014; 42(9): 2234-2241.

引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2015年1至12月在昆明医科大学第一附属医院MRI室及麻醉科完成。

1.3 材料

1.3.1 主要设备及软件 GE 3.0T超导型MRI机，General Electric Company，通用电气公司，美国；计算机，华硕工作站Precision T7500，CPU：Intel (R)Core(TM)i7 M430 2.40 GHz 六核(X2)，内存：24GBDDR3 1 333 MHz，硬盘：1 TB 7 200 r，SATA，显卡：NVIDIA Quadro4000 2 GB，24寸液晶显示屏，windows7专业版操作系统；医学有限元仿真软件Mimics 10.01，Materialise公司，比利时；逆向工程软件Rapidform XOR3，INUS 公司，韩国；高级有限元分析软件Abaqus6.10-1，HKS公司，美国。

1.3.2 MRI数据基于根据国人解剖学数值随机选取1名健康成年女性志愿者^[5]，年龄25岁，身高170 cm，体质量59 kg，利用普通X射线检查排除外伤骨折、肿瘤、退变、畸形等；经MRI检查无膝关节及半月板异常。在自然状态下用采用GE 3.0T超导型MRI机扫描，体位为膝关节自然伸直并外旋10°-15°，MRI机用头线圈作为接收线圈，选择扫描矢状位三维质子密度加权成像序列，成像参数为：重复时间11 000 ms、回波时间25 ms、层厚1.0 mm、层间距0.2 mm、回波链14、激励次数2次、矩阵192/320、视域18，并将获得的资料按DICOM格式保存。

1.4 方法

1.4.1 膝关节半月板三维数字模型的建立基于高精度MRI扫描得到的二维图像建立膝关节三维数字化模型通过以下步骤实现：二维图像采集-导入医学有限元仿真软件-设定阈值-编辑几何蒙罩-导入逆向工程软件-打磨-导出。在研究中将获得的数据按照DICOM标准在电脑(操作系统Windows 7)上通过软件输入口导入医学有限元仿真软件Mimics 10.01 (Materialise公司，比利时)，设定合适的阈值(226-2 782 Hounsfield单位)。编辑并通过区域增长生成胫骨、股骨、髌骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带及半月板各自的几何蒙罩(Mask)文件，建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的正常成人志愿者全膝关节三维实体数字化模型，以Stl格式储存。分别以Stl格式导入逆向工程软件Rapidform XOR3，进行打磨，定义初步划分网格数值(该数值看模型具体定义)，在本研究中选取股骨、胫骨、前交叉韧带及后交叉韧带的网格数值为110，半月板为220，目的是使用该网格来评判打磨的三维数字模型表面是否真正的光滑，是否还存在凹凸不平，以及为后面建立三维有限元模型的网格划分做铺垫。并对股骨和胫骨两端定义切割平面，获得平整的股骨和胫骨两端，为后面的有限元生物力学分析做基础，并按IGE格式导出并储存，见图1A。

1.4.2 膝关节半月板三维有限元模型的建立

三维实体模型的导入及布尔运算：将经过逆向工程软件Rapidform XOR3打磨光滑的膝关节的三维实体模型的每一部分按IGE格式一一导入Abaqus6.10-1高级有限元分析软件，重新组合出全膝关节的三维实体模型。对前交叉韧带与股骨接触面及胫骨接触面、后交叉韧带与股骨及胫骨接触面、半月板与胫骨接触面进行模型的布尔运算，并设置接触的面。

定义材料属性：完成上述后，在Abaques 6.10-1里分别定义骨、半月板及韧带三种材料属性，将骨和半月板定义为弹性材料，韧带定义为超弹性材料，见表1。

依据韧带的单向应力测试数据^[8-11]，将股骨和胫骨定位为相似性质的固体，半月板定义为相似性质的固体，前交叉韧带和后交叉韧带定义为相似性质的固体，并分别绑定。

网格定义：对经过材料属性定义后模型的每一部分分别进行网格定义，前交叉韧带与后交叉韧带的网格大小定义为0.8，半月板的网格大小也定义为0.8，股骨与胫骨的网格大小定义为1.6，该网格定义数值按具体模型来定(模型与后面生物力学分析拟合过程来决定，即网格定义是否适合后面的生物力学分析过程的拟合，因此需要反复验证，该数值是经过反复验证后得出的)，理论上网格定义越细结果越接近真实，定义后分别绑定以上各部分，便建立了全膝关节的三维有限元模型，见图1B。

1.4.3 生物力学分析

相互接触面的设定：在建立的三维有限元模型上，通过生理及解剖知识，设定前交叉韧带与后交叉韧带的股骨端与胫骨端接触的面为绑定面，半月板前后角与胫骨接触的面为绑定面，其余的半月板与股骨接触、半月板与胫骨接触、股骨与胫骨相互接触为相互运动接触及碰撞的面，并设定为有限滑动相互作用的面。同时定义接触面为常态行为，切应力方向属性为无摩擦，法向方向属性为Hard。

刚体的设定：完成上述，单独分割股骨残端与胫骨残端一小片层设置为刚体，目的为让模型承受的切应力集中在股骨近端及前交叉韧带股骨附着点以及集中在胫骨远端，不让受力弥散而影响生物力学分析。
Step设置及应力定义：分析屈曲0°，30°，60°，90°时的正常成人膝关节生物力学情况，由此设定了5步。进行加力及力矩定义，在受力设置上，定义从第2步开始在股骨方向施加载荷垂直的力，大小为300 N^[6]，受力类型定义为集中受力，作用点在设定的刚体上。最后创建模型运算，在建立运算模型后先设置好与工作站匹配的操作数据，进入运算，得出结果。
1.5 主要观察指标 观察在股骨轴向加载垂直向下的300 N力后，膝关节屈曲0°-90°过程中，半月板在膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时间点的应力及位移分布。

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

讨论

膝关节作为人体最复杂的关节，由关节外结构和关节内结构共同构成，具有极其复杂的生物力学特性。以往对膝关节基于生物力学的研究通常运用力学测量仪器在关节外旋加载荷^[14-18]，仅能够得到膝关节外部的生物力学特性。而对于关节内部的韧带、软骨、半月板关节接触等方面的应力分布等问题的研究，传统的力学方法就很难完成。建立膝关节模型就成为进一步研究膝关节的生物力学特性的手段。目前来说，国外学者提出了不同的膝关节的动力学模型，其中包括Toutoungi等^[19]、Zheng等^[20]、Huss等^[21]提出的半静态动力学模型，还有Wongchaisuwat等^[22]、Engin等^[23-24]提出的动态动力学模型，以及到现在研究的三维有限元模型等^[25-31]。文章运用医学仿真有限元软件、逆向工程原理，利用人体膝关节的MRI图像数据，完整重建包括股骨、胫骨、腓骨、半月板、前交叉韧带、后交叉韧带及髌骨在内的人体膝关节三维模型，并对其进行有限元分割，使其可以满足于膝关节生物力学方面有限元分析的要求。并有效的仿真动态模拟了垂直受力下的有限元生物力学分析，并有效的完成了各韧带应力分布、股骨胫骨关节接触问题、关节面应力分布，以及半月板在屈曲从0°-90°运动过程中各部分应力及位移改变的生物力学研究方面的有限元分析，获得满意效果。

文章从了解半月板的生物力学性质和行为出发，其结果表明，股骨施加垂直状态下300 N的力，研究动态模拟屈曲0°-90°过程中即直立时0°、屈曲30°、屈曲60°到屈曲90°时，半月板的应力分布与位移情况，在该过程中最大应力从12.96 MPa到33.04 MPa，最小应力0.008 21 MPa到0.006 79 MPa；最大位移从2.653 mm到6.967 mm，最小位移从0.006 38 mm到0.006 15 mm。分布云图显示，最大应力范围从外侧半月板前角到中部，且外侧半月板应力力分布范围要比内侧半月板大；最大位移范围从接近内侧半月板内缘中点的地方移动到外侧半月板前外上缘范围，随着角度的变化，内外侧半月板的位移范围也慢慢增大，外侧半月板比内侧半月板位移大。分析得出的数据与外国学者的研究结果也非常接近^[32-40]。位移结果目前未有相关研究，并通过本研究得出应力与位移成正比，即应力大的位移也大，反之则小。其中，屈曲0°-30°过程中，最大应力从12.79 MPa到13.36 MPa，最小应力从0.082 1 MPa到0.106 1 MPa。最大位移从2.677 mm到2.917 mm，最小位移从0.005 97 mm到0.015 99mm。分布云图显示，外侧半月板的应力主要在中间范围，内侧半月板由前角和靠中后的范围变化到中部靠前的区域。位移内侧半月板中部范围要比外侧要大。屈曲30°-60°过程中，最大应力从13.36 MPa慢慢递减，接近60°时才递增到17.78 MPa，最小应力从0.106 1 MPa到0.092 1 MPa。最大位移从2.914 mm到3.469 mm，最小位移从0.015 98 mm到0.006 58 mm，分布云图显示，该过程应力范围慢慢扩大到半月板中部，且外侧半月板应力较内侧半月板大，位移范围外侧半月板开始比内侧大。屈曲60°-90°过程中，最大应力从17.95 MPa到33.04 MPa，最小应力从0.092 0 MPa到0.140 9 MPa到0.067 9 MPa。最大位移从3.510 mm到6.967 mm，最小位移从0.006 18 mm慢慢递增然后再递减到0.006 19 mm，几乎没有多少移动，分布云图显示，外侧半月板的应力范围在前后角、中部靠前，内侧在前角，中部靠后，应力外侧大于内侧，位移外侧半月板几乎整个都有移动，内侧半月板只有中间部分有移动。结合临床，可推导出正常半月板在膝关节屈曲过程中的运动生理以及生物力学变化过程，同时判断半月板常见损伤区域，以及模拟该损伤区域受损的过程及原理，对于研究半月板损伤的病理生理及治疗有一定的指导意义。此外，还可对使用的缝合半月板人工材料的研发也做出指导，也可用来评价半月板修复手术的效果等等。通过该研究，虽然得出正常膝关节半月板在屈曲运动过程中的一些规律，但膝关节半月板有限元生物力学分析虽然能分析出最大受力点，也能分析出运动及受力过程中的各个部位的应力及位移分布情况，然而有限元分析是一种通用的近似计算方法，属于理论性分析，由于膝关节几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，很难求得精确的解。其结论需要与其他研究资料和临床检测结果相结合，才能真实的反映膝关节半月板的受力情况。

综上所述，通过对采用MRI二维图像重建的膝关节半月板的三维有限元模型进行有限元生物力学研究方法，对今后研究屈曲过程中半月板的生物力学变化规律，了解膝关节半月板各类损伤区域受损的过程及原理，及对正确地设计各类半月板损伤手术的治疗方案以及病后的康复方案都有重要的指导意义，以达到能更好的指导临床预防、诊断及治疗的效果。

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

膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析

Biomechanical analysis of dynamic simulation of three dimensional finite element models of knee joint meniscus

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[1]	黄登承, 王志科, 曹学伟. 体外冲击波疗法治疗中老年膝骨关节炎短期疗效对比的荟萃分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1471-1476.
[2]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[3]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[4]	韦玮, 李剑, 黄林海, 兰敏东, 卢显威, 黄绍东. 全膝或全髋关节置换后老年人首次活动时跌倒恐惧的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1351-1355.
[5]	王金军, 邓增发, 刘康, 何智勇, 余新平, 梁建基, 李晨, 郭洲洋. 全膝关节置换静脉滴注氨甲环酸联合含氨甲环酸鸡尾酒局部应用的止血效果及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1356-1361.
[6]	肖国庆, 刘选泽, 严钰皓, 钟喜红. 后交叉韧带替代型假体全膝关节置换术后屈曲受限的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1362-1367.
[7]	黄泽晓, 杨妹, 林诗炜, 何和与. 血清n-3多不饱和脂肪酸水平与全膝关节置换早期股四头肌肌力变化的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1375-1380.
[8]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[9]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[10]	刘翔翔, 黄云梅, 陈文列, 林如辉, 卢小冬, 李钻芳, 许亚晔, 黄美雅, 李西海. 早期骨关节炎模型大鼠半月板白区细胞的超微结构变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1237-1242.
[11]	仲鹤鹤, 孙鹏鹏, 桑鹏, 吴术红, 刘毅. 模拟重建膝关节后外侧复合体核心韧带后膝关节稳定性评估[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 821-825.
[12]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[13]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[14]	赵中溢, 李勇阵, 陈峰, 季爱玉. 同期双侧全膝关节置换和单髁置换治疗创伤性关节炎的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 854-859.
[15]	刘少华, 周观明, 陈希聪, 肖可明, 蔡剑, 刘效仿. 前交叉韧带缺陷对固定平台单髁置换后中期疗效的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 860-865.