步态周期下各级骨关节炎软骨力学行为的数值分析

各级骨关节炎：健康成人患骨关节炎后，根据影像学Kellgrene Lawrence (K-L)分级可分为5级：0级为正常；1级关节间隙可疑变窄；2级关节间隙变窄有微量骨赘产生；3级关节间隙中度变窄软骨出现硬化性改变；4级关节间隙变窄大量骨赘产生且软骨畸变。

步态周期：在行走过程中一侧足跟着地至该足跟再次着地时所经历的时间，一个步态周期可划分为支撑时相和摆动时相。支撑时相划分为足跟着地、支撑中期、足跟离地等动作阶段，摆动时相划分为加速期、离地期和减速期。

背景：各级骨关节炎软骨的力学环境对骨关节炎发展的进程具有一定的影响，计算机模拟仿真提供了一种量化膝关节软骨力学环境的方法，使利用有限元技术来研究各级骨关节炎软骨的力学行为成为可能。

目的：通过数值模拟对比研究健康成人与各级骨关节炎患者在步态周期下软骨的应力分布及软骨内液体流速变化的规律，探索骨关节炎患者步态周期下的力学行为。

方法：通过CT和MRI扫描得健康成年人膝关节数据，应用软件Abaqus建立全膝关节三维有限元模型。通过Hypermesh划分全膝关节网格，再设定全膝关节内部各部件间绑定关系及相互作用，最后通过改变软骨的材料属性及调整各相的时长和股骨与胫骨平台间的夹角来实现模型中对健康成人与各级骨关节炎软骨载荷及边界条件的设定。

结果与结论：①模拟结果表明，在步态周期内股骨软骨和胫骨软骨的平均Mises应力和软骨内液体流速变化的曲线均为先增大后减小；②相比于健康成人，各级骨关节炎患者随病程加重，软骨的Mises应力持续减小，软骨内液体流速则先增大，当发展到3级骨关节炎流速则减小；且各级骨关节炎软骨的Mises应力和液体流速的变化范围也减小；③因此，随着骨关节炎病程持续发展，患者在步态周期下软骨的内液体流速增大、Mises应力减小及关节表面应力变化范围减小，从而导致关节承重和缓震能力减弱。

https://orcid.org/0000-0002-9255-7740 (韩磊)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 膝关节, 关节软骨, 骨关节炎, 步态周期, 数值模拟, 应力, 液体流速

引用本文：韩 磊, 刘海英, 张 浩. 步态周期下各级骨关节炎软骨力学行为的数值分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(18): 2810-2815.

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