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[目的]探讨基于CT及MRI二维图像构建膝关节仿真三维有限元模型的可行性,并通过计算机对仿真三维模型截骨,虚拟人工膝关节置换术,采用三维动态有限元方法分析PS型固定与旋转平台假体型号不同时膝关节假体接触应力变化,为临床应用提供理论依据。[方法]1.对9名正常成年人分别行双膝关节MRI扫描及双下肢全长CT扫描,获取二维图像。将图像以DICOM格式导入医学有限元仿真软件Mimics 16.0,重建出包含骨、软骨、半月板、韧带、肌腱的膝关节仿真数字化模型及双下肢全长三维数字模型。2.分别选取5套Depuy PS型固定与旋转平台人工膝关节假体,通过激光扫描获取膝关节假体的点云数据,将假体点云数据以STL文件导入Geomagic Studio 12逆向工程软件建立固定与旋转平台人工膝关节假体几何模型。在三维数字模型上按照全膝关节置换操作标准进行虚拟截骨,选择不同型号的PS型膝关节假体按照全膝置换操作标准对截骨后三维模型进行假体安装。通过对三维模型进行网格划分,定义膝关节各部位材料属性,确定膝关节动态坐标系、加载载荷及边界条件,建立三维动态有限元模型。3.虚拟膝关节固定平台不同假体型号配对的模型,实验组A(F>T)分别用2号股骨假体装配1.5号胫骨假体、3号股骨假体装配2.5号胫骨假体、2.5号股骨假体装配2号胫骨假体,实验组B(F<T)用2号股骨假体装配2.5号胫骨假体、2.5号股骨假体装配3号胫骨假体、3号股骨假体装配4号胫骨假体。对照组C(FdT)用2号股骨假体装配2号胫骨假体、2.5号股骨假体装配2.5号胫骨假体、3号股骨假体装配3号胫骨假体。通过Abaqus软件计算并分析膝关节置换术后0。、30。、60。、90。、120。屈曲时三维动态有限元模型假体接触的生物力学特性,对不同组间假体接触的应力峰值用SPSS 19.0软件进行统计学分析。检验水准a=0.05。4.虚拟膝关节旋转平台不同假体型号配对的模型,实验组A(F>T)分别用3号股骨假体装配2.5号胫骨假体、2.5号股骨假体装配2号胫骨假体、2号股骨假体装配1.5号胫骨假体,实验组B(F<T)用2号股骨假体装配2.5号胫骨假体、2.5号股骨假体装配3号胫骨假体、3号股骨假体装配4号胫骨假体。对照组C(F-T)用2号股骨假体装配2号胫骨假体、2.5号股骨假体装配2.5号胫骨假体、3号股骨假体装配3号胫骨假体。通过Abaqus软件计算并分析膝关节置换术后0。、30。、60。、90。、120。屈曲时三维动态有限元模型假体接触的生物力学特性,对不同组间假体接触的应力峰值用SPSS 19.0软件进行统计学分析。检验水准a=0.05。[结果]1.PS型固定平台及旋转平台膝关节置换术后在受力屈曲运动过程中,无论是高分子聚乙烯垫片内侧或者外侧,在膝关节屈曲0°到90°过程中,应力值随着屈曲度数增大逐渐增大,到90。时增至最大值。2.PS型固定平台股骨与胫骨型号相同的三维模型后在受力屈曲运动过程中,聚乙烯垫片内外侧应力峰值统计分析结果显示：高分子聚乙烯垫片内外侧应力峰值对比(p<0.05),高分子聚乙烯垫片内侧应力峰值大于外侧应力峰值。3.当PS型固定平台膝关节置换术后模型在受力屈曲运动至0°、30°、600、90。、120。时,股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)聚乙烯垫片内侧应力峰值与股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)及股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)两两对比,p<0.05,有统计学意义。4.PS型固定平台膝关节置换术后模型在受力屈曲运动至0。、900时,股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)的聚乙烯垫片内侧应力峰值与股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)对比无统计学意义(p>0.05)。PS型固定平台膝关节置换术后模型在受力屈曲运动至30。、60。、120。时,两者对比p<0.05,有统计学意义,股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)的聚乙烯垫片内侧应力峰值大于股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)。5.PS型固定平台膝关节置换术后模型在受力屈曲运动至0°、30°、60°、900、120。时,股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)聚乙烯垫片外侧应力峰值与股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)及股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)进行对比,p<0.05,有统计学意义。6.PS型旋转平台膝关节置换术后模型屈曲至0°、30°、60°、90°、1200时,实验组B高分子聚乙烯垫片内侧应力峰值均较其他两组大,而股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)数值则最小。屈曲至90。时三组聚乙烯垫片内侧应力峰值均增至最大值。7.当膝关节屈曲至0°、30°时,PS型旋转平台股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)及股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)内侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比均有统计学意义(p<0.05),而股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)内侧应力峰值与股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)对比则无统计学意义(p>0.05)。膝关节屈曲至60。时PS型旋转平台股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)内侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比有统计学意义(p<0.05),股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)内侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比无统计学意义(p>0.05),股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)内侧应力峰值与股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)对比无统计学意义(p>0.05)。膝关节屈曲至90。、120。时PS型旋转平台股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)及股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)内侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)两两对比均无统计学意义(p>0.05)。8.当膝关节屈曲至0。时,PS型旋转平台股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)外侧应力峰值与股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)对比、股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)外侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比有统计学意义(p<0.05),PS型旋转平台股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比则无统计学意义(p>0.05)。膝关节屈曲至30。时PS型旋转平台股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)外侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比、股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)外侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比有统计学意义(p<0.05),股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)外侧应力峰值与股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)对比无统计学意义(p>0.05)。膝关节屈曲至60。、90。时PS型旋转平台股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)外侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)对比有统计学意义(p<0.05)。膝关节屈曲至120。时PS型旋转平台股骨假体型号小于胫骨假体组(实验组B)及股骨假体型号大于胫骨假体组(实验组A)外侧应力峰值与股骨假体型号等于胫骨假体组(对照组C)两两对比无统计学意义(p>0.05)。9.当膝关节屈曲至0。、30。、60。、90。、120。时,髌骨软骨应力峰值随屈曲度数增加而逐渐增加。PS型固定与旋转平台动态膝关节模型的髌骨软骨接触应力峰值无差异(p>0.05)。[结论]1.基于正常成人的膝关节CT及MRI二维图像可建立真实可靠的三维数字化模型,该模型可用于膝关节置换术后生物力学研究。2.膝关节置换术后模型随着屈曲度数加深,PS型膝关节假体聚乙烯垫片内外侧接触应力峰值增加,至90。时增至最大。聚乙烯垫片随屈曲度数增加磨损增加。3.当PS型固定平台股骨假体与胫骨假体型号不同时,可能会导致聚乙烯垫片远期磨损增加,减少假体使用寿命。4.当PS型旋转平台股骨假体与胫骨假体型号不同时,聚乙烯垫片应力改变并不是特别明显,聚乙烯垫片远期磨损增加可能并不明显。5.当PS型股骨假体与胫骨假体不同型号配对时,尽量选择旋转平台膝关节假体效果可能更佳。6.PS型固定与旋转平台动态膝关节模型的髌骨软骨接触应力峰值无差异。