定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器間室減荷效果的有限元分析

來源：上海交通大學(xué)學(xué)報

構(gòu)建有限元模型，模擬膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）患者佩戴定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器前后的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化，針對矯形器間室減荷效果開展定量化研究。

圖1 定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器

對膝骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行光學(xué)體表及CT掃描，根據(jù)單側(cè)減荷原理設(shè)計定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器，通過網(wǎng)格劃分、材料賦值、邊界設(shè)置等步驟，利用ANSYS等軟件構(gòu)建包括膝關(guān)節(jié)與定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器有限元模型，沿下肢負(fù)重軸方向?qū)οリP(guān)節(jié)施加1100N的壓縮載荷，進(jìn)行仿真及應(yīng)力分析，研究定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器對膝關(guān)節(jié)間室的減荷效果，驗證軟骨、韌帶及下肢皮膚對膝關(guān)節(jié)承載能力的影響。

相較于未佩戴任何矯形器情況，佩戴定制式膝關(guān)節(jié)矯形器后，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度減少、內(nèi)側(cè)壓力向外側(cè)轉(zhuǎn)移且內(nèi)側(cè)間室壓力明顯降低。定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器可降低早中期內(nèi)側(cè)間室型膝骨關(guān)節(jié)炎患者在步行過程中膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室所產(chǎn)生的壓力，減荷效果顯著。

1. 建立膝關(guān)節(jié)-矯形器整體有限元模型，將韌帶定義為僅承受拉伸應(yīng)力的各向同性線彈性材料，以彈簧單元代替基于韌帶起止點(diǎn)的應(yīng)力牽拉，以彈簧單元代替矯形器的綁帶。

圖2 膝關(guān)節(jié)-矯形器整體有限元模型

2. 佩戴定制式膝關(guān)節(jié)矯形器后，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度減少、內(nèi)側(cè)壓力向外側(cè)轉(zhuǎn)移且內(nèi)側(cè)間室壓力明顯降低。未佩戴矯形器和佩戴矯形器兩種情況下股骨軟骨、內(nèi)、外側(cè)月板和內(nèi)、外側(cè)脛骨軟骨最大Von Mises應(yīng)力分別為0.62與0.14、0.98與0.55、0.0076與0.0541、0.44與0.14、0.0003與0.0123MPa。

位移方面，佩戴矯形器前后情況下膝關(guān)節(jié)股骨相對于脛骨前向上的位移分別為13.96和0.59mm，股骨前移狀態(tài)有明顯改善，關(guān)節(jié)間的穩(wěn)定性增強(qiáng)。佩戴矯形器前后情況下膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻傾角分別為7.84°和6.65°。

圖3 未佩戴矯形器時股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的Von Mises應(yīng)力云圖

圖4 佩戴矯形器時股骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板、內(nèi)外側(cè)脛骨軟骨的Von Mises應(yīng)力云圖

作者簡介

第一作者許苑晶，工科碩士，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（上海）創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊研究與臨床轉(zhuǎn)化服務(wù)中心注冊研發(fā)工程師，長期致力于研究數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印，從事醫(yī)工交叉的康復(fù)器械注冊研究工作，獲2019年度第九屆上�？祻�(fù)醫(yī)學(xué)科技獎一等獎、第六屆國際康復(fù)工程大會創(chuàng)新一等獎，2018年中國增材制造行業(yè)新銳人物獎等。

通訊作者王金武，醫(yī)學(xué)博士，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科主任醫(yī)師，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院兼職研究員，博導(dǎo)及博士后導(dǎo)師。十三五、十四五科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃首席科學(xué)家，上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院首席科學(xué)家，第五屆“卓越建樹”人民名醫(yī)。以第一完成人獲得2022年度上海市技術(shù)發(fā)明一等獎，項目名稱“四肢骨關(guān)節(jié)炎的數(shù)字化診療關(guān)鍵技術(shù)與裝備開發(fā)”。榮獲上海醫(yī)學(xué)科技一等獎、上�？祻�(fù)醫(yī)學(xué)科技一等獎和中華醫(yī)學(xué)科技進(jìn)步一等獎、江蘇醫(yī)學(xué)科技獎、吉林省科學(xué)技術(shù)一等獎等。

引文信息
許苑晶, 高海峰, 吳云成, 柳毅浩, 張子硯, 黃承蘭, 王贊博, 劉同有, 王彩萍, 繆偉強(qiáng), 王金武. 定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器間室減荷效果的有限元分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2023, 57(5): 560-569.

XU Yuanjing, GAO Haifeng, WU Yuncheng, LIU Yihao, ZHANG Ziyan, HUANG Chenglan, WANG Zanbo, LIU Tongyou, WANG Caiping, MIAO Weiqiang, WANG Jinwu. Finite Element Analysis of Decompression Effect of Custom Additively Manufactured Knee Orthosis Compartments[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(5): 560-569.