MCL缺损对多屈曲角胫股关节力学特性影响

    膝关节是人体最大最重要的关节，也是最容易损伤的关节之一。其中的内侧副韧带(medialcollateral ligament，MCL)，在交通事故、重负运动和极限运动中损伤很频繁[1]。大量基础和临床研究表明内侧副韧带对于维持膝关节的稳定、防止膝外翻作 用重大。MCL 损伤断裂(简称 MCL 缺损)，会引起膝关节软骨退化和半月板损伤，继发骨性关节炎等病症[2]。近年来围绕 MCL 损伤的核心问题，主要以 MCL 在膝关节外翻时的稳定作用，MCL 缺损后对前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)和后交叉韧带(posterior cruciate ligament，PCL)力学特性的影响，以及对半月板和关节软骨的接触力学特性的影响等相关领域展开研究。

    1991 年 Shapiro[3]等对膝关节标本进行外翻解剖测量，获得了 MCL 被切除后膝外翻时其他韧带的负荷变化特性；1996 年 Hull[4]用体外标本测量了0°和 30°屈曲角膝关节受外翻力矩和多种复合力矩作用时 MCL 的应变特性；1997 年 Bendjaballah[5]等基于 CT(Computed Tomography)医学图像建立了包含股骨、胫骨、关节软骨层、内/外侧半月板和四条主要韧带的整体胫股关节非线性有限元模型，分析了 MCL 被切除后在不同内外翻力矩下膝关节直立位各韧带的力学特性，以及软骨和半月板接触力的变化；1999 年 Takashi Kawada[6]利用光弹涂层法获得了兔膝关节在外翻力矩作用下 MCL 的应变分布；2005 年 Sang Eun Park[7]基于 MRI(MagneticResonance Imaging)和 CT 图像建立了膝关节活体在0°/30°/60°/90°时的 3D 模型(不包含关节软骨和半月板)，并通过测量获得了正常膝关节屈曲过程中内侧、外侧副韧带各纤维束的应变特性；2010 年袁平[8]等应用直立位横断面 CT 扫描数据建立了膝关节 3D 模型，并进行了在 0°/30°/60°屈曲角的正常胫股关节翻仿真。但至今为止，涉及通过采集屈曲角系列位姿(0°/30°/60°/90°)MRI 扫描数据分别建立多位姿胫股关节模型，进行 MCL 缺损后整体胫股关节有限元仿真，来分析关节软组织及韧带的最大等效应力分布特性及软骨与半月板间的接触力与接触性能研究报道较少。针对这种情况，本文通过 采集活体膝关节在 0°/25°/60°/80°屈曲角位姿的MRI 图像数据，依次建立了正常/MCL 缺损时多屈曲角系列的胫股关节 3D 模型，通过有限元仿真来分析关节各组织元素的力学特性。本文的研究主要涉及在多屈曲角位姿下 MCL 缺损对交叉韧带和关节软组织的影响等内容。该研究将为揭示 MCL 缺损引发关节退变及半月板/韧带组合损伤病因提供基础数据与技术。

    1 建立多屈曲角胫股关节仿真模型

    1.1 建立多位姿胫股关节几何模型