背景随着人民生活质量的提高,因运动、交通和意外致软骨损伤比之前更为常见,对于软骨损伤后的病理生理学研究已经取得了广泛的认识,但是目前还没有学者能够确切地量化股骨髁负重区软骨缺损后膝关节生物力学发生的变化情况。随着数字仿真建模技术及有限元分析法的发展,传统生物力学实验方法正被有限元分析法所取代,并取得了一定的研究成果。因此,本研究是以近年来关于软骨损伤的临床流行病学研究为基础,建立合理准确的全膝关节三维数字化几何模型及有限元模型,结合逆向工程技术虚拟临床常见股骨内髁软骨缺损,并研究其对关节软骨及半月板应力的影响,为膝关节软骨的修复与重建提供生物力学研究的新手段。目的运用三维数字化重建技术和逆向工程技术虚拟建立膝关节软骨缺损的三维有限元分析的平台,仿真研究正常膝关节不同屈曲角度下关节软骨及半月板的应力分布特点及临床上常见股骨髁负重区软骨缺损对关节软骨及半月板应力的影响,为软骨缺损的修复提供数据支持。方法1.选取正常成人志愿者右膝关节层厚为1.0mm的核磁共振(Magnetic resonance imaging, MRI)连续图像资料为基础数据,利用MIMICS、Geomagic Studio等软件提取膝关节各结构的点云数据。基于此数据构建包括股骨远端及其软骨、胫骨近端及其软骨、前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament, ACL)、后交叉韧带(posterior cruciate ligament, PCL)、半月板、伸膝装置及腓骨在内的完整膝关节三维数字化模型,再以STL格式导入Geomagic逆向工程软件中刨光,除燥并拟合曲面,最后在Pro/Engineer软件中转化成三维几何模型,并通过ABAQUS软件构建三维有限元模型。2.在ABAQUS软件中将已建成的三维有限元模型进行后处理,通过定义材料,施加载荷和边界条件计算并分析正常膝关节不同屈曲角度时关节软骨及半月板的应力云图；然后利用逆向工程技术构建一个股骨髁负重区软骨缺损直径为8mm的全膝关节三维有限元模型,最后观察关节软骨及半月板在不同屈曲角度下的应力云图,分析软骨缺损后不同屈曲角度下关节软骨及半月板的生物力学变化,为临床上软骨损伤修复提供理论指导。结果1.基于正常成人志愿者右膝关节的核磁共振图像资料,利用Mimicsl4.11、 Geomagic Studio2012及ABAQUS等软件成功构建了包括股骨远端及其软骨、胫骨近端及其软骨、前交叉韧带、后交叉韧带、半月板、伸膝装置及腓骨在内的完整膝关节三维几何模型及三维有限元模型。所建模型几何完整,结构精确,三维有限元模型共有49699个节点、152866个单元。2.基于已构建的三维有限元模型,运用逆向工程技术虚拟建立一个股骨髁负重区软骨缺损直径8mm的膝关节三维有限元模型并在屈曲0°,30°,60°,90。角度下进行关节软骨和半月板的应力分析,结果显示：股骨内髁软骨缺损后关节软骨及半月板的应力明显增大。股骨内、外髁软骨,内、外侧胫骨平台软骨,内、外侧半月板在屈曲0。角度时的应力增幅分别达到64.8%,70.9%,83.6%,109.5%,16.3%；屈曲30。角度时增幅分别达到75.8%,95.9%,58.6%,58%,72.1%,30.5%；屈曲60。角度增幅分别达到90.9%,67.6%,76.0%,75.9%,140.9%,24.7%；在屈曲90。时其应力峰值差异无统计学意义。结论1.股骨内髁虚拟软骨缺损的三维有限元模型能准确地量化股骨髁负重区软骨缺损后膝关节生物力学发生的变化情况。2.股骨内髁软骨、内侧胫骨平台软骨及外侧半月板上的应力峰值均大于股骨外髁软骨、外侧胫骨平台软骨及内侧半月板的应力峰值。3.股骨内髁5区直径8mm大小软骨缺损后关节软骨及半月板的应力峰值在屈曲0。、30。、60。角度时明显增大。