● 摘要
膝关节是人体最大最复杂的关节之一，是下肢活动的枢纽。主要包含股骨、胫骨、髌骨以及前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带和外侧副韧带。其承受着人体的各种载荷以及运动变形，由于膝关节负重多且运动量大，因此在交通事故、极限运动中很容易造成损伤。全膝关节置换术是对受损严重膝关节的终极治疗方法，以恢复膝关节的运动功能。但是由于膝关节自身解剖结构的复杂性以及组成材料性质的多样性，加上其运动形式及各组成部分载荷分配情况比较复杂，因而目前人们还不能对膝关节各种生物力学性质行为做准确的描述。植入假体后膝关节的运动及力学特性就更不易进行监测。因此，为了使假体植入后膝关节尽量恢复到正常水平以及降低假体返修率，术前对含假体膝的运动及力学特性分析就显得尤为重要。本文应用动力学仿真软件以及有限元分析进行了TKA后膝关节在屈曲角度以及步态过程膝关节的运动特性以及力学特性仿真，获得了相关的运动及动态力学特性。具体内容如下：
首先，为准确的建立TKA后膝关节三维几何模型，为后续分析提供基础数据，在分析膝置换手术流程及熟悉截骨医疗器械的使用方法的基础上，改进设计了膝截骨手术器械，能实现截骨定位准确和操作连续及减小创伤伤口。通过应用膝关节的MRI扫描图像数据，建立了正常膝关节的三维模型，通过模拟截骨操作及假体安装，建立了TKA后膝关节三维几何模型。
其次，基于TKA后膝的关节结构及约束的变化，建立了TKA后膝关节的动力学模型，应用动力学仿真软件进行了TKA后膝关节运动学仿真，获得其深屈曲及步态过程膝关节的运动特性，并进行了有效性方法的分析比较。结果表明：TKA后膝关节要尽量避免进行如下蹲、跪地等大屈曲角度的活动，并且要避免受到扭矩的作用，防止膝关节及其他软组织受到损伤。
再次，根据两种TKA类型建立了对应的TKA后膝关节有限元模型，按照步态周期标准施加动态载荷，获得了TKA后膝关节动态力学特性，分析了髌骨置换与否对膝髌股关节运动及力学特性的影响，以及对胫股关节运动及接触特性的影响，为膝关节假体在体模拟测试提供一种方法。结果表明：髌骨置换对膝胫股关节运动学特性影响不大，但是显著增大了胫骨衬垫的接触应力，且胫骨衬垫内侧较外侧承受更大的应力；髌骨置换对髌股关节运动学特性影响较大，降低了髌股关节运动的稳定性，并且显著增大了髌骨假体的等效应力。
最后，为趋近膝关节解剖结构设计了新型的PR型假体，通过对含PR型假体的TKA后膝关节的运动学仿真及动态载荷下的仿真结果分析，比较了正常、PR型及PS型假体的TKA后膝的运动特性及步态周期内动态力学特性差异，提供了假体评价及假体适用范围的选择方法。
本文的研究以及所得出的结论对于膝关节损伤的预防，术后康复，动态过程TKA后膝关节的运动及力学特性以及对个性化膝假体的设计有一定指导意义。