基于CT图像重建人体膝关节3D骨骼优化模型

目的:重建一个含有股骨远端和胫骨近端的人体膝关节3D骨骼优化模型。方法:采用螺旋CT机扫描人体膝关节部位,从胫骨近端到股骨远端,获得DICOM格式图像数据。利用Mimics软件进行图像数据输入和视图图像处理重建3D骨骼模型,并使用它自带的3-matic软件对所建的3D模型进行优化处理。结果:使用Mimics软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼模型,其自带的3-matic软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼优化模型。结论:该优化模型可清晰精确地模拟股骨远端和胫骨近端的三维几何形态,能导入到ANSYS/ABAQUS等有限元软件进行力学特性分析,也能结合MRI重建含有半月板的人体膝关节生物力学模型,为仿生膝关节的结构设计提供理论依据。

人体膝关节韧带生物力学研究进展

韧带是稳定膝关节的主要组成部分,如何在生物力学模型中模拟韧带将会影响膝关节动力学特性以及韧带力,韧带应变和接触力分布的计算。本文就韧带在生物力学模型中的简化方法及其力学参数的选择以作一综述,并提出建模的具体方法。

人体膝关节运动学和动力学模型研究

以人体膝关节为研究对像,建立人体膝关节模型已经成为了一种有效的研究方式。确定了人体膝关节模型的类型,并分别对每一种类型的模型进行了简单介绍。在解剖学的基础上,重点针对人体膝关节运动学和动力学模型的类型,相应地在国内外研究现状里做了详细描述和综合分析。通过深入研究发现其优点和局限性,对存在的问题进行了总结,并提出了解决方法以及未来的发展趋势。

基于Neo-Hookean本构模型的人体膝关节韧带力学性能测试分析

测试和分析研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱,基于超弹性本构模型(Neo-Hookean模型)的力学性能参数,为膝关节相关生物力学研究提供数据参考.通过对4具国人膝关节标本进行解剖,获得人体膝关节主要的韧带组织样本,对所获得的韧带样本进行超弹性材料的单轴拉伸测试,并运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的NeoHookean模型对测试数据进行数据处理,得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数.解析求得了国人膝关节的韧带组织基于超弹性本构模型的力学性能参数,可用于膝关节的生物力学特性的研究,并且为国人膝关节韧带性能数据库提供数据参考.

人体膝关节力学模型构建和屈曲运动力学特征研究

目的:构建人体膝关节力学模型和屈曲运动力学特征。方法:将受试者CT扫描图片导入Mim-ics 10.1建模软件中,将处理后的CT图片导入有限元网格划分软件Hyper Meh中完成网格划分,获取有限元模型。结果:采用所构建膝关节三维有限元模型得到的仿真曲线与碰撞实验结果曲线基本一致。在0°~90°区间内,前交叉韧带张力随膝关节屈曲角度的逐渐增加呈下降趋势,后交叉韧带张力随膝关节屈曲角度的逐渐增加呈上升趋势,但上升幅度较小,且二者之间不存在交点。在膝关节屈曲过程中,髌骨受到的压力随膝关节屈曲角度的增大呈上升趋势,在屈曲为90°时达到最大值。内侧半月板剪切应力峰值出现在中后部,约为3.34 MPa,挤压应力峰值出现在后部,约3.02 MPa,接触压峰值出现在后部,约为3.6 MPa;外侧半月板剪切应力峰值出现在前角,约为2.92 MPa,挤压应力峰值在前角,约2.77MPa,接触压峰值出现在前部,约为3.17 MPa。股骨软骨剪切应力峰值在内侧髁软骨处,约为1.85 MPa,挤压应力峰值在内侧髁处,约2.33 MPa,接触压峰值在外侧髁软骨处,约为2.83 MPa。结论:所构建模型能为研究膝关节屈曲运动力学特征提供可靠的有限元模型。

人体全膝关节精细有限元模型建立及有效性验证

近年来利用数字三维模型对人体全膝关节进行生物力学分析在国内外迅速发展,但是缺乏完整精细的膝关节有限元模型;同时对所建立模型的验证也比较单一,仅从韧带或者软骨受力单方面进行有效性的验证,导致模型的实用性和广泛性受到限制。目的以一种创新、高效的方法三维重建精细人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、腓骨软骨、半月板、交叉韧带、侧韧带、髌韧带等组织结构,并对整体模型有效验证。方法利用CT和MRI医学影像,使用Mimics、3-Matic、Geomagic、Solidworks、Abaqus软件获得完整、精细的人体膝关节模型;在内外髁中点施加1 000 N竖直向下载荷,分析膝关节内外间室的力学分布及软骨的力学响应;以胫骨平台髁间隆起为参考施加134 N前向推力,模拟临床中的抽屉实验(ADT),获取各韧带组织的生物力学响应,并与现有人体实验及模型对比。结果 1 000 N载荷下,股骨软骨最大Mises应力值为2.514 MPa,半月板最大Miese应力值为7.693 MPa,胫骨软骨最大Mises应力值为1.848 MPa,均分布于膝关节的内侧;内外侧软骨接触面积分别为476.080 8 mm^2和338.446 8 mm^2;内外腔室分别承担总载荷的60.57%和39.43%。134 N载荷下,胫骨平台前端的位移量为5.687 mm;前十字交叉韧带(ACL)最大Mises应力值为28.030 MPa,后十字交叉韧带(PCL)最大Mises应力值为16.730 MPa,内侧副韧带(MCL)最大Mises应力值为4.511 MPa,外科韧带(LCL)最大Mises应力值为3.751 MPa;交叉韧带与股骨止点的最大Mises应力值为15.270 MPa。结论建立的精细膝关节三维模型很好地重塑了人体膝关节相关生物力学特性;该精细膝关节模型仿真结果与现有实验数据非常接近,证明了模型的有效性;完整、有效的精细全膝关节有限元模型将为植入物手术、人体运动分析、康复研究等打下基础。

基于张拉整体结构的仿生膝关节机构设计

在研究人体膝关节生物特征和运动机理的基础上,基于张拉整体结构,通过等效映射和仿生设计方法,构建了基于C4S2平面张拉整体结构的仿生膝关节机构映射模型,并采用机构构型分析方法,验证了机构稳定性。在满足人体膝关节刚柔耦合特征的基础上,利用反向动力学方法,完成了弹簧刚度匹配,实现了运动学求解,并通过Adams对该机构进行了仿真模拟,结果表明,仿生膝关节机构满足人体膝关节运动范围。通过弹簧形变量仿真结果与理论计算结果的对比,以及仿真运动模拟与实验测试的对比,验证了所提出基于张拉整体结构的仿生膝关节机构理论和设计的有效性和可行性。所设计的仿生膝关节机器人机构具有灵活性、半自主复位和自锁的特性,满足仿生设计要求。

膝关节积液怎么办

正常的人体膝关节内都有不同程度的关节液,对膝关节起着润滑、营养的作用。很多正常人拍一个磁共振,里面也会显示有少量积液。因此,对于膝关节没有任何症状,没有任何疼痛、肿胀的表现,只是磁共振上显示少量积液,可以不用管它,因为这可能是正常的膝关节滑液。除了正常的积液,还有很多原因可以引起膝关节积液,此时需根据不同的原因,做不同的处理。膝关节的半月板损伤半月板损伤后,疼痛会产生局部的炎性反应,引起膝关节内的积液。

胫骨平台骨折对膝关节韧带损伤的分析

膝关节是人体最大最复杂的关节,在运动或日常生活中易遭受各种损伤,而胫骨平台骨折是较为常见的一种损伤。当人体膝关节遭受间接暴力或直接暴力时,胫骨平台较容易发生损伤:同时也常见于电动车、摩托车事故中,当人体从高处落下时也容易出现损伤。一般把胫骨与股骨下端接触的面为胫骨平台,胫骨平台是膝的重要负荷结构,一旦发生骨折,使内外平台受力不均,将产生骨关节炎改变。

人体下肢行走运动特征及肌肉肌腱参数研究

为了提高舱外航天服运动性能,保证航天员舱外活动的灵活性与舒适性,从生物学出发,以人体行走为例,研究了下肢膝关节运动特征及肌肉肌腱参数。首先从解剖学角度对人体下肢肌骨模型进行分析,其次对人体下肢关节的运动学、肌肉肌腱参数与动力学特征等进行研究,最后分析下肢膝关节力矩、角加速度与关节惯量的关系。结果表明:人体下肢膝关节处于最大屈曲位时,关节角加速度几乎同时达到最大;内外侧腓肠肌与股直肌分别在支撑期与摆动期提供重要力量;行走运动中的人体膝关节力矩与角加速度未呈现较好线性关系,但关节惯量与周期(时间)序列可完成较好线性拟合。该结果可为太空环境下的相关研究及舱外航天服的设计提供一定参考。

半月板囊肿怎么办

最近门诊碰到好几个半月板囊肿的患者,身边也不时有人咨询我半月板囊肿的问题,笔者特拟此文为大家答疑解惑。损伤或退变导致囊肿半月板,相信大家都不陌生。它是我们人体膝关节内一组具有增强膝关节稳定性和缓冲震荡功能的软骨垫,呈周缘厚、内缘薄的楔形,从平面上看为半月形,故称半月板。在半月板包膜下或半月板内形成的囊肿即为半月板囊肿。