基于有限元骨肌模型的膝关节三维韧带松弛对关节生物力学的影响

目的膝关节韧带的生物力学对韧带的功能、退变以及损伤干预措施(如韧带重建)的研究起着重要作用。骨肌模型可用于预测各种活动中韧带的生物力学。然而,先前的骨肌模型通常基于刚体动力学,缺乏对详细的关节运动学和接触力学的研究能力。因此,本研究的目的是开发一个包含膝关节变形接触模型的下肢有限元骨肌模型,考虑韧带的三维几何形状、变形和接触。研究后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)松弛对韧带生物力学和膝关节接触力学的影响。方法基于数据库开发下肢有限元骨肌模型,将膝关节的三维变形模型耦合到骨肌模型中,包括三维韧带、软骨和半月板。有限元骨肌模型的输入包括地面反作用力和关节角度。肌肉冗余问题通过逆向动力学优化解决。将预测的关节接触力与在体测量数据进行对比。通过调整PCL的等效刚度,实现PCL的不同松弛场景,对比分析韧带的力和应变以及关节的接触力学。结果预测的膝关节接触力与实验数据基本一致。较高松弛度导致PCL的力降低和有效应变增加。与正常模型相比,松弛-2模型在关节前后方向的位移明显增大。松弛-2模型的胫骨内侧髁软骨接触应力比正常模型高23%。结论该模型可用于在各种活动中对骨关节软/硬组织进行系统的、个性化的生物力学评估。