题目：人体膝关节的生物力学建模与仿真

人体膝关节损伤较频繁，尤其是在体育运动领域。手术治疗的效果并不理想，并往往导致继发性损伤。由于离体实验和临床研究的局限性，损伤的机理仍未得到清晰的认识。本文基于核磁共振断层扫描图像重建了一个几何上比较完整和精确的膝关节三维有限元模型，并用解剖和影像测量的统计数据对该模型的几何精度进行了校验。在胫前加载的边界条件下，用前人的实验结果对计算所得的胫骨位移和前交叉韧带（ACL）合力进行了检验，证明该模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动状态。利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟，分别在屈膝0°和30°的姿态下对胫骨施加胫前载荷和竖直方向的作用力。结果表明，ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布状态：内侧半月板后段的应力显著增长；而外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度。利用该模型对内侧副韧带（MCL）损伤前后的膝关节进行模拟，分别对MCL正常、浅层撕裂、深层撕裂和完全撕裂的膝关节施加被动屈膝的载荷和边界条件。结果表明，MCL的损伤削弱了膝关节的稳定性：深层MCL撕裂使内侧半月板的位移和应力发生明显改变；浅层MCL撕裂导致膝关节发生显著外翻。该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象以及不同程度的MCL损伤对膝关节稳定性的影响。对研究膝关节损伤的预防、诊断、治疗以及康复有着重要的意义。