定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析

来源：上海交通大学学报

构建有限元模型，模拟膝骨关节炎（KOA）患者佩戴定制式增材制造膝关节矫形器前后的膝关节生物力学变化，针对矫形器间室减荷效果开展定量化研究。

图1 定制式增材制造膝关节矫形器

对膝骨关节炎患者进行光学体表及CT扫描，根据单侧减荷原理设计定制式增材制造膝关节矫形器，通过网格划分、材料赋值、边界设置等步骤，利用ANSYS等软件构建包括膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型，沿下肢负重轴方向对膝关节施加1100N的压缩载荷，进行仿真及应力分析，研究定制式增材制造膝关节矫形器对膝关节间室的减荷效果，验证软骨、韧带及下肢皮肤对膝关节承载能力的影响。

相较于未佩戴任何矫形器情况，佩戴定制式膝关节矫形器后，膝关节内翻角度减少、内侧压力向外侧转移且内侧间室压力明显降低。定制式增材制造膝关节矫形器可降低早中期内侧间室型膝骨关节炎患者在步行过程中膝关节内侧间室所产生的压力，减荷效果显著。

1. 建立膝关节-矫形器整体有限元模型，将韧带定义为仅承受拉伸应力的各向同性线弹性材料，以弹簧单元代替基于韧带起止点的应力牵拉，以弹簧单元代替矫形器的绑带。

图2 膝关节-矫形器整体有限元模型

2. 佩戴定制式膝关节矫形器后，膝关节内翻角度减少、内侧压力向外侧转移且内侧间室压力明显降低。未佩戴矫形器和佩戴矫形器两种情况下股骨软骨、内、外侧月板和内、外侧胫骨软骨最大Von Mises应力分别为0.62与0.14、0.98与0.55、0.0076与0.0541、0.44与0.14、0.0003与0.0123MPa。

位移方面，佩戴矫形器前后情况下膝关节股骨相对于胫骨前向上的位移分别为13.96和0.59mm，股骨前移状态有明显改善，关节间的稳定性增强。佩戴矫形器前后情况下膝关节内翻倾角分别为7.84°和6.65°。

图3 未佩戴矫形器时股骨软骨、内外侧半月板、内外侧胫骨软骨的Von Mises应力云图

图4 佩戴矫形器时股骨软骨、内外侧半月板、内外侧胫骨软骨的Von Mises应力云图

作者简介

第一作者许苑晶，工科硕士，转化医学国家重大科技基础设施（上海）创新医疗器械注册研究与临床转化服务中心注册研发工程师，长期致力于研究数字医学3D打印，从事医工交叉的康复器械注册研究工作，获2019年度第九届上海康复医学科技奖一等奖、第六届国际康复工程大会创新一等奖，2018年中国增材制造行业新锐人物奖等。

通讯作者王金武，医学博士，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科主任医师，上海交通大学医学院教授，上海交通大学生物医学工程学院兼职研究员，博导及博士后导师。十三五、十四五科技部国家重点研发计划首席科学家，上海交通大学转化医学研究院首席科学家，第五届“卓越建树”人民名医。以第一完成人获得2022年度上海市技术发明一等奖，项目名称“四肢骨关节炎的数字化诊疗关键技术与装备开发”。荣获上海医学科技一等奖、上海康复医学科技一等奖和中华医学科技进步一等奖、江苏医学科技奖、吉林省科学技术一等奖等。

引文信息
许苑晶, 高海峰, 吴云成, 柳毅浩, 张子砚, 黄承兰, 王赞博, 刘同有, 王彩萍, 缪伟强, 王金武. 定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析[J]. 上海交通大学学报, 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.