定制式增材制造膝關節(jié)矯形器間室減荷效果的有限元分析

來源：上海交通大學學報

構建有限元模型，模擬膝骨關節(jié)炎（KOA）患者佩戴定制式增材制造膝關節(jié)矯形器前后的膝關節(jié)生物力學變化，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節(jié)矯形器

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

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

1. 建立膝關節(jié)-矯形器整體有限元模型，將韌帶定義為僅承受拉伸應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的應力牽拉，以彈簧單元代替矯形器的綁帶。

圖2 膝關節(jié)-矯形器整體有限元模型

2. 佩戴定制式膝關節(jié)矯形器后，膝關節(jié)內(nèi)翻角度減少、內(nèi)側壓力向外側轉移且內(nèi)側間室壓力明顯降低。未佩戴矯形器和佩戴矯形器兩種情況下股骨軟骨、內(nèi)、外側月板和內(nèi)、外側脛骨軟骨最大Von Mises應力分別為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，關節(jié)間的穩(wěn)定性增強。佩戴矯形器前后情況下膝關節(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)外側半月板、內(nèi)外側脛骨軟骨的Von Mises應力云圖

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

作者簡介

第一作者許苑晶，工科碩士，轉化醫(yī)學國家重大科技基礎設施（上海）創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊研究與臨床轉化服務中心注冊研發(fā)工程師，長期致力于研究數(shù)字醫(yī)學3D打印，從事醫(yī)工交叉的康復器械注冊研究工作，獲2019年度第九屆上�？祻歪t(yī)學科技獎一等獎、第六屆國際康復工程大會創(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)學博士，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科主任醫(yī)師，上海交通大學醫(yī)學院教授，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院兼職研究員，博導及博士后導師。十三五、十四五科技部國家重點研發(fā)計劃首席科學家，上海交通大學轉化醫(yī)學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫(yī)。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發(fā)明一等獎，項目名稱“四肢骨關節(jié)炎的數(shù)字化診療關鍵技術與裝備開發(fā)”。榮獲上海醫(yī)學科技一等獎、上�？祻歪t(yī)學科技一等獎和中華醫(yī)學科技進步一等獎、江蘇醫(yī)學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。

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, 王金武. 定制式增材制造膝關節(jié)矯形器間室減荷效果的有限元分析[J]. 上海交通大學學報, 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.