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研究目的:1.用数字化技术构建正常人膝关节三维有限元模型并对有限元模型有效性进行验证。2.通过模拟膝关节外翻实验及半月板半脱位实验,分析各软组织部位应力等生物力学特性,判断软组织最大受力位置,为软组织损伤提供理论依据。研究方法1.构建膝关节有限元模型选取正常人膝关节MRI断层图像数据,以DICOM格式导入MIMICS20.0。在Mimics软件中,利用“3D磁性套索(3DLiveWire)"功能构建骨组织蒙版,用"动态区域增长(dynamic region growing)”构建软组织蒙版。用软件“Calculate 3D"功能构建各组织3D模型。将膝关节模型各部分以STL格式导入到Geomagic Studio12.0中,光滑、布尔减运算等处理得到更精细的模型,以IGES格式导入Hypermesh14.0中划分网格。最后模型以inp格式导入到Abaqus6.14中,对模型材料赋值及定义边界条件,在股骨上端垂直加载700N轴向载荷以模拟人体负重,作为初始模型,并在此基础上后续实验。2.膝关节软组织有限元模型的验证在初始模型的基础上,在股骨前端施加134N后向载荷以模拟膝关节前抽屉实验,计算股骨向后位移的距离及前交叉韧带的应力,通过将本模型的所得的结果与其他文献结果对比而验证本模型的有效性。3.膝关节外翻实验在初始模型的基础上,对股骨分别加载1°到9°的旋转载荷,每次增加1°,共设9组模型,模拟膝关节不同外翻角度的状态。分析内侧副韧带的应力分布变化及膝关节内侧间隙张口程度(mm)。4.膝关节半月板半脱位实验膝关节半月板半脱位模型通过改变半月板X轴位移值来构建。除正常膝关节有限元模型外,根据内侧半月板半脱位的位移值(从1mm到3mm,每模型增加1mm),共建立4个3D模型。计算分析在膝关节内侧半月板半脱位状态下内、外侧半月板、股骨软骨及胫骨软骨的应力及分布情况。结果:1.构建出正常人膝关节三维模型,包括了股骨、胫骨、股骨软骨、胫骨软骨、前交叉韧带,后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带及内侧半月板、外侧半月板。2.膝关节有限元模型验证实验结果:股骨向后位移为21.42mm,前交叉韧带最大应力为27.3Mpa。与相关研究的结果比较,结果相近,应力分布趋势—致,证明膝关节有限元模型有效性。3.膝关节模型外翻实验结果:内侧副韧带应力集中在与骨组织附着点处,随着外翻角度增加,内侧副韧带应力逐渐增加。膝关节外翻1°～5°时,内侧间隙张口程度<3mm属于MCL损伤Ⅰ度;膝关节模型外翻6°～8°时,内侧间隙张口程度3-5mm属于MCL损伤Ⅱ度;膝关节模型外翻>8°时,内侧间隙张口程度>5mm属于MCL损伤Ⅲ度。4.膝关节半月板半脱位实验结果:随着内侧半月板脱位程度增加,各部位应力均逐步增加,股骨软骨及外侧半月板应力变化不大,胫骨软骨及内侧半月板在内侧半月板位移3mm时应力明显增加。结论:1.在模拟膝关节外翻实验中,内侧副韧带与股骨的连接处最容易损伤。当膝关节外翻大于8°时可能出现内侧副韧带损伤III度,考虑采取手术治疗。2.在模拟膝关节半月板半脱位实验中,当内侧半月板位移值达到3mm时,可加快半月板及软骨的磨损,在临床诊治中,应及早行MRI检查,确认其磨损情况,并行相应的治疗。