第一部分精细右膝关节骨性关节炎三维有限元模型的建立目的:基于一女性骨性关节炎患者连续CT断层图像与MRI影像数据建立个性化的精细膝关节骨性关节炎的三维有限元模型,并验证模型有效性,为探讨与观察对腓骨不同部位截骨手术治疗骨性关节炎术后膝关节内相应接触应力改变的研究奠定基础。方法:选取1名56岁身高162cm,体重59kg双膝骨性关节炎的女性患者,双膝关节CT与MRI数据采集前,双膝关节正侧位显示双膝关节均为内侧间室骨性关节炎,双膝内翻畸形,左膝关节Kellgren-Lawrence分级Ⅲ级;右膝Kellgren-Lawrence分级Ⅱ级。取患者右膝关节完全伸直位,采集患者双膝关节CT和MRI薄层数据集,将患者右膝关节CT和MRI薄层影像数据集导入Mimics 20.0软件中通过图像分割建立包含股骨、胫腓骨、股骨远端与胫骨近端关节面软骨、内外侧半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带的精细右膝关节骨性关节炎三维数字模型,将数字模型导入3-matic 12.0完成模型的配准,在Geomagic Studio 2012软件中对上述数字模型结构进行实体转化后再导入到Hypermesh 14.0软件划分实体网格,最后在Abaqus/Standard 6.14软件中设定相关边界条件、赋予对应材料属性,对模型施加垂直向下的600N载荷(模拟患者单足站立下的右膝负重工况),计算膝关节内外侧间室的载荷分布、接触面积及接触应力,并与既往文献的报道进行对比以验证右膝关节骨性关节炎有限元模型的有效性。结果:建立了精细的个体化右膝骨性关节炎有限元模型,模型共296264个单元和126456个节点。模型解剖学外形与真实膝关节模型较为相似。在600N的垂直载荷下膝关节内外侧间室胫骨软骨侧的接触压力分别为3.78MPa和2.90MPa,胫骨软骨与内、外侧半月板的接触面积分别为301mm2和245mm2,与既往文献结果较为接近。结论:本研究所建立的个体化精细右膝关节骨性关节炎有限元模型结构较为完善,所建模型逼真,几何相似性好。该模型通过解剖形态学和生物力学验证,可用于下一步的腓骨截骨有限元分析。第二部分腓骨截骨对膝关节生物力学改变的有限元分析目的:腓骨高位截骨术后膝关节内侧间室应力减少可能是骨性关节炎患者术后膝关节疼痛缓解的主要原因,但是该术式用于治疗骨性关节炎的确切力学机制仍未明,且该术式存在可能术后效果不佳和腓总神经或腓浅神经损伤并发症。基于第一部分所建立的膝关节骨性关节炎有限元模型,对膝关节骨性关节炎有限元模型的腓骨设计了腓骨上段、中段和下段共6种不同高度的腓骨截骨手术方式,采用变弹性模量法模拟完成腓骨手术截骨,探索经腓骨高位截骨术后的膝关节生物力学变化,以及探讨在腓骨上段、中段与下段不同位置实施腓骨截骨后膝关节内应力改变情况,试图寻找一种较为安全的截骨方法,为腓骨截骨手术治疗骨性关节炎提供生物力学依据。方法:基于第一部分所建立的膝关节骨性关节炎有限元模型,对膝关节骨性关节炎有限元模型的腓骨设计了 F0(腓骨完整没有进行截骨)、F1(距离腓骨头下8cm处的腓骨上段截骨)、F2(距离腓骨头下10cm处的腓骨上段截骨)、F3(距离腓骨头下12cm处的腓骨中段截骨)、F4(距离腓骨头下14cm处的腓骨下段截骨)、F5(距离腓骨头下16cm处的腓骨下段截骨)和F6(距离腓骨头下18cm处的腓骨下段截骨)共7种工况(6种不同高度的腓骨截骨手术方式)。分别对腓骨拟行截骨的骨段采用变弹性模量法,将腓骨截骨骨段的骨性材料改变为纤维组织材料以模拟完成腓骨截骨手术;在模型同等约束条件下对模型施加了垂直向下的600N载荷(模拟患者单足站立下的右膝负重工况),观察对比在腓骨完整、腓骨上段截骨、腓骨中段截骨和腓骨下段截骨术后的相应膝关节生物力学变化。结果:在同种约束条件和载荷下,右膝关节骨性关节炎有限元模型计算预测结果发现在腓骨完整(F0)时,膝关节内侧间室胫骨软骨侧的接触应力为3.779MPa,胫骨软骨与内侧半月板之间接触面积为301.124mm2,膝关节外侧间室胫骨软骨侧的接触应力为2.897MPa,胫骨软骨与外侧半月板之间接触面积为245.315mm2;腓骨上段截骨术后(F1与F2),内侧间室胫骨软骨侧的接触应力为3.882MPa(较术前升高3%)与3.882MPa(较术前升高约3%),胫骨软骨与内侧半月板的接触面积为296.914mm2(较术前降低1.3%)与296.914mm2(较术前降低1.3%),外侧间室胫骨软骨侧接触应力为2.442MPa(较术前降低16%)与2.441MPa(较术前降低16%),胫骨软骨与外侧半月板接触面积为239.598mm2(较术前降低2.3%)与239.604mm2(较术前降低2.3%);腓骨中段截骨术后(F3与F4)内侧间室胫骨软骨侧的接触应力为3.883MPa(较术前升高3%)与3.883MPa(较术前升高约3%),胫骨软骨与内侧半月板接触面积为297.216mm2(较术前降低1.3%)与296.828mm2(较术前降低1.3%),外侧间室胫骨软骨侧的接触应力为2.445MPa(较术前降低16%)与2.442MPa(较术前降低16%),胫骨软骨与外侧半月板的接触面积为239.612mm2(较术前降低2.3%)与239.618mm2(较术前降低2.3%);腓骨下段截骨术后(F5与F6)内侧间室胫骨软骨侧的接触应力为3.884MPa(较术前升高3%)与3.884MPa(较术前升高约3%),胫骨软骨与内侧半月板的接触面积为296.831mm2(较术前降低1.3%)与296.580mm2(较术前降低1.3%),外侧间室胫骨侧的接触应力为2.438MPa(较术前降低16%)与2.437MPa(较术前降低16%),胫骨软骨与外侧半月板的接触面积为239.624mm 2(较术前降低2.3%)与239.627mm2(较术前降低2.3%)。通过模型计算预测结果发现:1、对腓骨不同高度水平行截骨手术治疗后,膝关节内侧间室应力没有降低,反而出现升高;膝关节外侧间室应力没有升高,反而出现降低;行腓骨截骨术后,胫骨软骨与内、外侧半月板的接触面积有减少;行腓骨截骨术后,胫骨软骨与内、外侧半月板的接触面积有减少;2、不同高度水平的腓骨截骨术后,膝关节内外、侧间室应力变化不大。结论:本部分右膝关节骨性关节炎有限元模型预测结果显示行腓骨截骨治疗术后,膝关节内侧间室应力没有出现应力转移,膝关节内侧间室应力不降反升,而外侧间室应力不升反降;行腓骨截骨术后,胫骨软骨与内、外侧半月板的接触面积有减少;腓骨上段截骨容易损伤腓总或腓浅神经,而下段截骨容易导致踝关节不稳,在本研究中,我们发现在不同位置腓骨截骨手术后膝关节内应力的改变相似,提示若选择腓骨截骨治疗骨性关节炎,建议选择在腓骨中段进行,从而在保证可能的治疗效果前提下降低腓骨截骨的手术并发症。