背景及目的:人体最大的关节是膝关节,健康的膝关节是人自由活动的基础,是人们正常活动的有力保证,在人们的日常活动中有着极为重要的地位。膝关节磨损退行改变在生活中较为常见,随着医疗技术的发展,特别是骨科医学的进步,人们越来越重视膝关节的健康。膝关节作为人体下肢的一个极其重要的关节,承担着人体的全部重量。膝关节的骨骼具有形态不规则以及组合复杂等特点,其承载着相当多的人体活动,因此对于膝关节在生物力学方面的研究相当困难。膝关节还具有运动的功能,与此同时还参与机体的负重,有着高达26.57%的下肢退行性骨关节病的发病率。膝关节的各个结构连接极其紧密,通过与周围的骨骼、软组织以及韧带的共同协作用来实现膝关节的力学功能,在人体的日常活动中具有重大的意义。在人体的日常生活中膝关节的使用频率相对来说较高,所以膝关节教易由于各种损伤而导致原本结构的不稳定而产生红肿、热痛等相应的症状,程度较重时还可能导致关节炎的反复发生。在目前的生物力学领域当中三维重建技术作为一项的新技术,在解决现实问题这一方面可以对当今的难以解决的问题进行模拟,在对于人体的复杂结构的力学模拟研究方向可以使用有限元法。相对于传统的力学研究而言,有限元法可以进行相对较准确的模拟,接着再进入下一步的实验,弥补了传统力学在复杂关节研究上的不足,因此在医学领域具有极高的应用价值。对于膝关节半月板以及软骨上的应力分布可以通过有限元分析的方法获取。该方法所构建的生物力学模型是在研究对象的几何结构的基础之上的,给予适当的材料属性之后,加载边界以及负荷条件,对于研究的对象进行受力以及运动的分析。与传统方法相比,有限元分析法具有实验标本易获得、标本可重复使用等优越性,还能够得到体外实验所不易获取的数据,比如半月板和软骨的应变和应力、关节之间的接触力以及接触面积等,因此,有限元分析法在关节生物力学研究方面已成为较为可靠的手段。使用三维有限元模型不仅可以大幅降低在生物力学研究中所投入的人力以及财力,还可以重复实验并设定不同条件的假设,从而避免传统力学的繁琐计算过程。与此之外,可以通过不同视角对相关设备所得出的三维图形进行观察,并且在计算机中进行各结构的拆分与组合,而且能够取得多组结果用于对比分析,有效地规避了单纯标本中观察所存在的局限性。种种优越性都提示三维有限元模型在医学领域中具有极大的应用价值。此篇文章为了进一步进行生物力学特性的探索,在术前进行患者的膝关节三维重建,建立出有限元模型,同时对全膝关节进行截骨模拟,研究出影响其力学稳定性的相应因素,为临床晚期退行性膝关节骨关节病的诊断、治疗以及康复提出有效的依据。方法:通过收集我院在2014年6月到2017年6月期间,晚期退变性膝关节骨性关节病的患者准备实施手术30例,随机分为2组:实验组和对照组,实验组是3 DPP所介导的全膝关节置换术,对照组为传统二维测量所指导的全膝关节置换术手术方式进行的纳入研究。研究组年龄55-69岁,均施行手术。收集AKSS评分、手术时间、术中出血量、下肢力线参数,将数据整理后进行描述统计、独立T检验等统计学分析。结果:经3 DPP所介导的全膝关节置换术术中出血量平均为332.2 ml,手术时间平均为2.14小时(手术开始时即已上止血带,止血带压力设置65kPa,每90分钟松一次止血带,松止血带期间休息15分钟),经传统二维测量指导的全膝关节置换术术中出血量平均为359.4 ml,手术时间平均为2.32小时(手术开始时即已上止血带,止血带压力设置65kPa,每90分钟松一次止血带,松止血带期间休息15分钟),实验组及对照组术中出血量所得的T检验为=p=0.052(p>0.05),此数据说明实验组相对对照组来说并没有明显减少术中的出血量,术后3月AKSS评分,实验组与对照组的分值分别为:疼痛47.75±1.05 vs45.3±1.55,稳定性22.45±1.05 Vs20.4±1.36,活动度23.50±1.23 vs19.6±1.43,行走45.5±1.63vs41.5±1.63,上下楼梯44.6±2.37 vs40.55±1.27.T检验后疼痛P=0.0023,稳定性P=0.0049,活动度P=0.0008,行走P=0.0016,上下楼梯P=0.0075(p<0.05),具有统计意义,说明3 DPP所介导的全膝关节置换术比传统二维测量指导全膝关节置换在术后效果提高方面更优,实验组及对照组的下肢力线参数术前、术后描述分析所得到3 DPP所介导的全膝关节置换术能更好的矫正膝关节在各骨的力线分布。筛选出最佳的手术截骨及假体安装方式模拟术后3 D全膝关节置换有限元模型,与前人在力学实验中对内固定所行的直接测试取得的ANSYS分析数据大致相同,其合理性因此确定。三维术前规划是由膝关节置换的虚拟资料提炼所获得,实验组中临床手术准确度(影像学所测和AKSS评分)明显比对照组更优。结论:手术的个性化、微创化以及精确化的前提是确保手术部位信息的精确性,而对于手术的精度来说极为重要的一步是术前的计划。对于退变性膝关节骨性关节病,三维术前规划的实质就是术前应用三维软件模拟膝关节置换术(截骨术及假体安装方式),同时对模拟的手术模型做应力-应变分析,从而制定出最佳手术方案及手术过程,实验证明,相对与非3DPP所介导的全膝关节置换术而言,3 DPP所介导的全膝关节置换术的误差更小,效果更好。