不同力学条件下对兔髌骨髌腱及腱止点的有限元建模力学分析

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目的:通过Micro-CT扫描兔髌骨和两端腱止点结合体的二维影像图,将其转化为三维建模并进行有限元力学分析,设置不同的加载条件,分析兔髌骨骨腱结合体的力学变化特点,尝试从生物力学的角度探究髌腱腱病的发病机制。方法:选取1只成年雌性新西兰大白兔(18周龄,体重2.6±0.2kg)左侧膝关节的髌骨和两端肌腱为研究对象。取材处理后用Micro-CT对样本进行扫描保存。使用 Mimics、Magics、Geomagic Studio、SolidWorks 等软件将二维影像图片转化为三维模型,再利用Ansys Workbench进行有限元静态和瞬态力学分析得出等效位移、应力、应变云图。设置不同载荷大小和方向,不同动作模式的加载条件,探测目标区域的值得出最终结果。结果:(1)载荷方向的改变对整体的分布趋势有较大影响,随着载荷角度的增大,髌腱腱止点处的应力集中效应逐渐减弱,股四腱止点处逐渐增强,对髌骨的影响不大。(2)载荷大小的改变对整体分布趋势没有影响,对位移、应力、应变等的大小影响较大;从区域来看,载荷大小改变对髌腱腱止点和股四腱止点的影响大于对髌骨的影响。从髌骨本身来看,对与股骨接触区域的影响最大,对与股四腱止点和髌腱腱止点的接触区影响较小。(3)从膝关节内外旋、内外翻的动作模式来看,外翻比内翻在髌腱腱止点处产生更大的应力集中,内旋比外旋在髌腱腱止点处产生区域和数值更大的应力集中。结论:(1)相对于髌骨和股四头肌腱止点,拉伸载荷大小、方向的改变和外翻、内旋的动作模式对髌腱腱止点处产生的影响更大。(2)从髌骨和两端连接的肌腱整体来看,髌腱腱病的发生与髌腱腱止点处存在应力集中有关,与股四头肌腱止点及其延伸结合部在一定活动范围内对髌腱腱止点部产生的应力屏蔽有关。
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