医学前交叉韧带受力仿真分析

应用于生命科学-人体前交叉韧带仿真分析

背景 :

  运动和汽车事故是韧带损伤的重要原因,前交叉韧带(以下简称ACL)的损伤是最常见的韧带损伤。在将人的膝盖关节固定在一起的许多韧带中,ACL尤为重要,因为它可以保持膝盖的稳定性,并通过限制关节运动来帮助防止对膝盖的伤害。ACL主要由连接股骨和胫骨的密集堆积的胶原纤维组成。ACL位于膝盖关节内部,如下图所示:

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有限元分析工况:

工况一 :在ACL的上表面施加单轴位移载荷,总拉伸率为1.12。

工况二 :ACL发生45度弯曲(膝盖弯曲)

工况三 :在1.5秒的时间内使股骨表面旋转11.25度。


材料参数与有限元网格模型:

使用SOLID187单元进行网格画分。股骨使用刚性面的。在股骨表面和ACL之间定义了标准接触(KEYOPT(12)= 0)。使用各向异性超弹性材料模型用于ACL仿真。

前交叉韧带仿真分析(图2)前交叉韧带仿真分析(图3)

边界条件和载荷: 

ACL模型的胫骨(底部)侧保持固定,并约束所有自由度。膝关节可弯曲,伸展和旋转。因此,分析考察了ACL在单轴弯曲,拉伸和旋转下的行为这三个工况。


有限元分析结果:

工况一 :拉伸工况

前交叉韧带仿真分析(图4)

工况二 :弯曲工况

前交叉韧带仿真分析(图5) 

前交叉韧带仿真分析(图6)前交叉韧带仿真分析(图7)

在最大应力处容易发生损伤撕裂。

  据研究表明,ACL极限抗张力强度(2020±264)N,最大形变(15.9±3.5)mm。ACL刚度为240N/mm,弹性模量为278MPa,极限抗张强度为35MPa[9]。所受应力变化与膝关节屈伸位置、肌肉收缩状态、负重或者非负重都有关系。ACL材料属性的研究不能全面反映运动状态下ACL受力变化。ACL应力变化在不同外力大小、屈曲角度下及不同分束之间是不相同的。屈伸运动中,110N和22N胫骨前向外力下,当屈曲15°时ACL应力最大,为(110.6±14.8)N和(25.7±3.7)N;在屈曲90°时应力最小,为(71.1±29.5)N和(12.8±7.3)N。不同约束在屈伸过程中应力变化也不相同。

工况三 :旋转工况

前交叉韧带仿真分析(图8) undefined


  日常活动中ACL最大应力均小于极限应力,一般为极限应力0.0%~44%。正常情况下以股四头肌收缩为主、屈曲度较小情况下(如股四头肌等长收缩、蹲起、主动伸膝等)ACL受力较大;而以腘绳肌收缩为主、屈曲度较大情况下(如腘绳肌等长收缩、60°和90°时股四头肌的等长收缩和股四头肌、腘绳肌协同收缩等)ACL应力则很小。步态循环中早期阶段(脚离地过程)ACL所受剪切力较大,在单脚离地时刻产生最大应力303N。后期阶段(脚着地过程)由于肌肉收缩、地面反作用以及胫骨-股骨之间相互作用,此时ACL受力较小。了解生理活动下ACL受力变化规律,对术后正确康复,避免ACL危险位置和动作,防止负荷过大有重要意义。


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