有限元醫學應用案例：全膝關節置換術后通過對股四頭肌肌力進行計算分析來改善患者的膝關節屈曲度

2016-12-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

膝前疼痛是全膝關節置換術(TKA)的主要術后并發癥。患者膝關節無法自由伸展/屈曲,對其行走、抬腿或從座位站起等日常活動造成顯著影響。這種膝關節活動嚴重受限的情況是需要進TKA翻修術最常見的適應癥之一。導致這一狀況的原因是手術過程中膝關節髕骨組件尺寸欠佳——這一“紐扣狀”組件的作用是改善股四頭肌伸展力的機械性能。克萊姆森大學生物工程系生物力學研究組通過應用基于HyperWorks的有限元分析,評估了髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力變化程度造成的影響。

50多年來,克萊姆森大學生物工程系始終注重對學生、教師和研究人員進行培養,為他們在理論知識、專業技能和個人發展上提供了諸多寶貴機遇。所有教師均擁有豐富的本科生和研究生科研指導經驗,在他們的帶領下,生物工程系的學生能夠有效利用工程原理來了解和治療疾病。此外,該系還與多名醫師和企業家展開合作,確保其研究課題始終著眼于高優先級的醫療挑戰。在系主任MartineLa Berge博士的領導下,克萊姆森大學和南卡羅來納醫科大學還在南卡羅來納州的查爾斯頓共同啟動了生物工程項目,這使雙方的合作關系進一步加強。

挑戰

此項研究所面臨的挑戰是,如何使用計算分析來量化評估膝關節屈曲/伸展過程中髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力變化所造成的影響。股四頭肌肌力變化的減小與全膝關節置換術(TKA)術后膝前疼痛的減輕直接相關。

有限元醫學應用案例：全膝關節置換術后通過對股四頭肌肌力進行計算分析來改善患者的膝關節屈曲度hypermesh學習資料圖片1
HyperMesh構建的自然膝關節模型

股骨屈曲角度為 60° 時的股四頭肌變形情況

用于進行有限元仿真的整體幾何模型

解決方案

由Altair員工、博士生Xin Xie完成的三維(3D)顯式有限元分析可評估髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力大小和變化造成的影響。在研究過程中,Xin Xie利用Altair HyperMesh構建出極為精細的膝關節3D模型。通過對中等體型尸體的下肢進行MRI重建,可構建能夠代表人體真實膝關節結構的基本3D模型。采用供方指定的全膝關節置換手術特定程序,切除尸體的脛骨、股骨和髕骨扣狀物。然后,將指定TKA裝置的幾何結構插入自然膝關節模型,并使用HyperMesh進行校正。通過實驗測試數據量化得到的各向同性、超彈性材料用于構建肌肉和韌帶膝關節連接件模型。然后,采用運動跟蹤系統定義膝關節屈曲/伸展過程中脛骨和股骨的位移邊界條件。最后,借助HyperMesh的幾何變形功能額外創建兩個厚度變化范圍在2毫米之間的髕骨扣狀物,從而得到三個有限元模型。對這三個模型進行準靜態有限元分析,利用分析結果即可計算出每個厚度情況下的肌腱力大小。

使用大腿肌肉群重建的人體骨骼系統

股骨屈曲角度在0° 到60° 時股四頭肌肌力的整體變化情況

結論

針對完整行走步態下膝關節屈曲/伸展過程中的全部股四頭肌肌腱進行VonMises應力分布計算。對于全部三種厚度情況,應力在股骨的屈曲角度為最大值(60°) 時達到峰值。三種情況下,步態周期內的TF變化結果均相似。但是,與由髕骨扣狀物基準厚度得出的TF峰值相比,髕骨較薄的模型在這三種模型中的TF力最大。總體而言,此研究表明髕骨組件厚度對步態周期中邁步期的股四頭肌肌力產生顯著影響。

更具體地說:

?接受TKA手術后,較厚的髕骨會導致股四頭肌肌腱繃緊

?較薄的髕骨可能會造成力矩臂失效,使膝關節伸肌裝置發生功能障礙,進而導致TF大小發生異常。為了得出最佳厚度值,在進一步計算研究過程中,應考慮各種厚度的髕骨扣狀物對膝關節反作用力造成的影響。

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