骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析

背景:轻度膝骨关节炎患者在日常步态行走中容易诱发疼痛以及关节炎加剧,目前对于此类患者在步态屈膝角度下的膝关节内部生物力学行为变化情况尚不十分清楚,且文献报道较少。目的:基于已证实的轻度骨关节炎膝关节有限元模型,依据步态周期与屈膝角度的变化,模拟其在0°,10°,20°,30°这4个角度下的屈膝行为,研究股骨软骨、胫骨软骨和半月板上的应力分布特征及接触面积变化。方法:对轻度骨关节炎膝关节有限元模型定义材料属性,确定边界条件及不同屈膝角度下的轴向载荷,通过分析胫股关节中非骨性组织的Mises应力、Tresca应力及接触面积,研究膝关节内部的生物力学行为变化。结果与结论:有限元分析结果表明随着屈膝角度的增大,半月板、股骨软骨和胫骨软骨上的Mises应力峰值及Tresca应力峰值呈相对增大趋势,胫股关节总接触面积呈减小趋势,内侧半月板半脱位导致外侧峰值多大于内侧峰值,同时内侧间室接触面积减小,外侧间室的接触面积增大,在屈膝角度达到20°和30°时出现Mises应力峰值和Tresca应力峰值的最大值。结果表明,轻度骨关节炎膝关节在屈膝角度改变时,其内部应力和接触面积变化特征因内侧半月板半脱位而发生改变,内侧接触面积减小,应力峰值增大,外侧接触面积增大,应力峰值增大且增幅大于内侧,关节内部负载平衡打破可能导致关节软骨退变风险增加,促使膝骨关节炎病变的加剧。