有限元医学应用案例：全膝关节置换术后通过对股四头肌肌力进行计算分析来改善患者的膝关节屈曲度

2016-12-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

项目介绍

膝前疼痛是全膝关节置换术(TKA)的主要术后并发症。患者膝关节无法自由伸展/屈曲,对其行走、抬腿或从座位站起等日常活动造成显著影响。这种膝关节活动严重受限的情况是需要进TKA翻修术最常见的适应症之一。导致这一状况的原因是手术过程中膝关节髌骨组件尺寸欠佳——这一“纽扣状”组件的作用是改善股四头肌伸展力的机械性能。克莱姆森大学生物工程系生物力学研究组通过应用基于HyperWorks的有限元分析,评估了髌骨扣状物厚度对股四头肌肌力变化程度造成的影响。

50多年来,克莱姆森大学生物工程系始终注重对学生、教师和研究人员进行培养,为他们在理论知识、专业技能和个人发展上提供了诸多宝贵机遇。所有教师均拥有丰富的本科生和研究生科研指导经验,在他们的带领下,生物工程系的学生能够有效利用工程原理来了解和治疗疾病。此外,该系还与多名医师和企业家展开合作,确保其研究课题始终着眼于高优先级的医疗挑战。在系主任MartineLa Berge博士的领导下,克莱姆森大学和南卡罗来纳医科大学还在南卡罗来纳州的查尔斯顿共同启动了生物工程项目,这使双方的合作关系进一步加强。

挑战

此项研究所面临的挑战是,如何使用计算分析来量化评估膝关节屈曲/伸展过程中髌骨扣状物厚度对股四头肌肌力变化所造成的影响。股四头肌肌力变化的减小与全膝关节置换术(TKA)术后膝前疼痛的减轻直接相关。

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HyperMesh构建的自然膝关节模型

股骨屈曲角度为 60° 时的股四头肌变形情况

用于进行有限元仿真的整体几何模型

解决方案

由Altair员工、博士生Xin Xie完成的三维(3D)显式有限元分析可评估髌骨扣状物厚度对股四头肌肌力大小和变化造成的影响。在研究过程中,Xin Xie利用Altair HyperMesh构建出极为精细的膝关节3D模型。通过对中等体型尸体的下肢进行MRI重建,可构建能够代表人体真实膝关节结构的基本3D模型。采用供方指定的全膝关节置换手术特定程序,切除尸体的胫骨、股骨和髌骨扣状物。然后,将指定TKA装置的几何结构插入自然膝关节模型,并使用HyperMesh进行校正。通过实验测试数据量化得到的各向同性、超弹性材料用于构建肌肉和韧带膝关节连接件模型。然后,采用运动跟踪系统定义膝关节屈曲/伸展过程中胫骨和股骨的位移边界条件。最后,借助HyperMesh的几何变形功能额外创建两个厚度变化范围在2毫米之间的髌骨扣状物,从而得到三个有限元模型。对这三个模型进行准静态有限元分析,利用分析结果即可计算出每个厚度情况下的肌腱力大小。

使用大腿肌肉群重建的人体骨骼系统

股骨屈曲角度在0° 到60° 时股四头肌肌力的整体变化情况

结论

针对完整行走步态下膝关节屈曲/伸展过程中的全部股四头肌肌腱进行VonMises应力分布计算。对于全部三种厚度情况,应力在股骨的屈曲角度为最大值(60°) 时达到峰值。三种情况下,步态周期内的TF变化结果均相似。但是,与由髌骨扣状物基准厚度得出的TF峰值相比,髌骨较薄的模型在这三种模型中的TF力最大。总体而言,此研究表明髌骨组件厚度对步态周期中迈步期的股四头肌肌力产生显著影响。

更具体地说:

?接受TKA手术后,较厚的髌骨会导致股四头肌肌腱绷紧

?较薄的髌骨可能会造成力矩臂失效,使膝关节伸肌装置发生功能障碍,进而导致TF大小发生异常。为了得出最佳厚度值,在进一步计算研究过程中,应考虑各种厚度的髌骨扣状物对膝关节反作用力造成的影响。

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