高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制研究

The geometrical shape，internal structure，tissues material and soft tissues balance of human knee were changed by the existing high-flexion artificial knee and surgery techniques, which bring about the high-flexion function unstability of high-flexion artificial knee during high-flexing. Up to now, however, the quantitative research of high flexion knee prosthesis unstability evaluation criterion and stability mechanism,which mean the quantitative relationship between the stability characters of high-flexion artificial knee and biomechanical characteristics of natrual knee during high-flexing, are lack in the world. Aiming at the high-flexin function of high-flexion artificial knee,the three dimensional medicial image registration and modal analysis techniques were used,and the RSA, three dimensional microscopic photography and motion capture measurement were researched in this suject,which were combined with the system of established dynamic biomechanical experimental system of knee and the dynamic finite element model of nature knee and the knee after total knee replacement to measure and analyze the stability characters of high-flexion artificial knee and biomechanical characteristics of natrual knee during high-flexing. The stability mechanism of high flexion artificial knee joint during high flexing will be illuminated. The quantitative stability characters of high-flexion artificial knee during high-flexing will be evaluated. The effective methods and theoretical basis will be provided for design of high-flexion artificial knee,TKR techniques and the restore of high-flexion function.

现有的高屈曲人工膝关节设计与手术技术改变了人体膝关节的几何形态、内部结构、组织材料以及软组织的平衡；造成了高屈曲人工膝关节高屈曲功能的不稳定。然而，目前仍缺乏关于高屈曲膝关节假体失稳的评价准则和高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制- - 高屈曲人工膝关节稳定性特征与自然全膝关节高屈曲生物力学特性之间关系- - 的定量研究。 本课题针对高屈曲人工膝关节高屈曲功能，拟采用三维医学图像配准和模态分析技术，研究RSA、三维显微摄影、运动捕捉测量和分析方法，结合所建立的自然及置换后膝关节三维解剖动态有限元模型和膝关节屈曲动态运动和应力测量系统，测量和分析高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性特征、自然膝关节高屈曲过程的动态生物力学特性；阐明高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制；评估高屈曲人工膝关节稳定性的特征参数。为改进高屈曲人工膝关节设计及手术技术、重建置换术后膝关节高屈曲功能，提供生物力学研究的有效方法与理论依据。

为了研究高屈曲人工膝关节稳定性特征与自然全膝关节高屈曲生物力学特性之间关系，改善高屈曲人工膝关节设计与手术技术。本研究基于股四头肌机械延迟和变力加载，建立自然以及人工膝关节的三维解剖动态有限元模型的优化模型；构建人体膝关节生物力学的体外实验装置；测试和研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱基于超弹性本构模型（Neo-Hookean模型）的力学性能参数，运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的Neo-Hookean模型对实验数据进行处理，计算得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数。并基于以上模型分别进行了国人TKA术后关节线高度对人工膝生物力学的影响研究，分析TKA后膝关节关节线高度的变化对髌股关节、胫股关节等人工膝的生物力学影响，明确合理的关节线高度变化范围：-1mm～+3mm；研究TKA（全膝关节置换术）后内侧副韧带上端松解30%、下端松解30%和两端同时松解30%对胫股关节下蹲运动特性的影响；建立内侧副韧带的浅层组织断裂、深层组织断裂和完全断裂时的自然膝关节三维有限元模型；内侧副韧带断裂损伤以及内侧副韧带不同的断裂损伤程度与TKA术后以及自然膝关节屈曲运动特性的相互作用关系。对于中国多类人群膝关节的测量和统计分析，提炼进行假体设计的改进的设计参数，并完成两件国人高屈曲人工膝关节的基本设计，申请发明专利并授权。针对三种典型运动（分别为高屈曲和一般屈曲）：下蹲、走路和上台阶，同时基于RSA、采用高速摄影、采用运动捕捉；基于Matlab，采集图像中体表皮肤标记物实时空间运动轨迹，获得膝关节六自由度运动在三个动作过程中的基本特征；研究分析自然和置换后膝关节屈曲、内外旋和内收外展等的动态生物力学特性。并进一步研究人体下肢皮肤相对于下肢骨骼的微动关系。为进一步评估高屈曲人工膝关节稳定性的特征参数；阐明高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制； 提供理论和实践基础。