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[目的]研究基于CT及MRI二维图像数据准确构建出膝关节三维有限元模型的可行性,并通过计算机虚拟人工膝关节置换术进行假体匹配,采用有限元方法分析探讨假体型号不匹配时人工膝关节假体接触表面的应力变化,为人工关节假体的选择提供依据。[方法]1.对1名正常男性青年分别进行双膝关节MRI扫描和双下肢全长CT扫描获取二维图像。将图像以DICOM格式导入Mimics软件中,重建出包含骨、软骨、半月板、韧带、肌腱的膝关节三维数字化模型。2.选取全套Depuy人工膝关节假体,通过激光扫描获得假体的点云图像数据,将所选择的假体的点云数据以STL文件导入Imageware逆向工程软件建立人工膝关节全膝置换假体几何模型。通过计算机测量,在三维模型上寻找临床上最佳的截骨角度和假体置入位置,选择型号匹配的膝关节假体按照全膝关节置换操作标准对三维模型进行虚拟截骨和假体的安装。通过对模型进行网格划分,材料属性定义,计算膝关节动态坐标系,加载载荷及边界条件,建立三维动态有限元模型。3.用计算机虚拟膝关节假体型号不匹配的模型,实验组A用3号股骨假体装配2.5号胫骨假体(F>T),实验组B用3号股骨假体装配4号胫骨假体(F<T)。对照组用3号股骨假体装配3号胫骨假体(F=T)。通过ABAQUS软件计算并分析膝关节置换术后0°-120°屈曲时三维动态有限元模型假体接触的生物力学特性,比较不同组间假体接触的最大等效应力。4.数据结果采用SPSS 19.0软件进行分析,以双因素无重复试验的方差分析比较两种因素对聚乙烯垫片最大等效应力的影响。检验水准α=0.05。[结果]1.膝关节置换术后在垂直受力屈曲运动过程中,在00-90°范围内股骨相对于胫骨滚动的同时发生了向后方的滑动并外旋；在90°-120°范围内股骨内侧髁向内后方滑动,外侧髁向上发生了抬离并内旋。2.膝关节置换术后在垂直受力屈曲运动过程中,随着屈曲度数加深,应力逐渐向聚乙烯垫片内侧后方集中,接近120°时在后缘形成相对较高的峰值应力。3.在0°-120°屈膝过程中,实验组(F>T, F<T)与对照组(F=T)之间聚乙烯垫片内侧最大等效应力比较差异有统计学意义(P<0.05)。4.在0°-80°屈膝过程中,实验组(F>T, F<T)与对照组(F=T)之间聚乙烯垫片外侧最大等效应力比较差异具有统计学意义(P<0.05),当屈膝超过80°后,股骨外侧髁发生抬离。5.在屈膝0°-40°时,实验组A(F>T)与对照组(F=T)聚乙烯垫片内外侧最大等效应力差异均无统计学意义(P>0.05)；在屈膝0°-40°时,实验组B(F<T)与对照组(F=T)的聚乙烯垫片内侧最大等效应力比较差异有统计学意义(P<0.05),聚乙烯垫片外侧最大等效应力比较差异无统计学意义(P>0.05)；在屈膝40°-80°之间时,实验组(F>T, F<T)与对照组(F=T)聚乙烯垫片内外侧最大等效应力差异均无统计学意义(P>0.05)；屈膝超过80°时,实验组(F>T, F<T)与对照组(F=T)聚乙烯垫片内侧最大等效应力比较差异有统计学意义(P<0.05)。[结论]1.基于CT及MRI二维图像并结合有限元法能够建立出有效的膝关节三维动态有限元模型,该模型可以用于膝关节置换术后生物力学研究。2.膝关节置换术后随着屈曲度数加深,聚乙烯垫片内侧后方接触应力增加,更容易发生磨损。3.人工关节置换术后膝关节在0°-40°范围之内屈曲时,选用的股骨假体型号小于胫骨假体型号时,会导致聚乙烯垫片内侧最大等效应力增加,有增加聚乙烯垫片磨损的风险,但股骨假体型号大于胫骨假体型号时,应力增加不明显。4.膝关节屈曲超过90°时,股骨与胫骨假体型号不匹配会导致聚乙烯垫片内侧后缘最大等效应力增加明显,可能会导致胫骨平台聚乙烯垫片产生分层磨损。5.当股骨假体与胫骨假体不型号匹配时,在膝关节反复的屈伸运动中,可能会导致胫骨平台聚乙烯垫片远期磨损增加,减少假体使用寿命,且股骨假体型号小于胫骨假体型号时风险更高。6.当股骨假体与胫骨假体型号匹配使用时,利于延长假体使用寿命。