本文是一篇机械论文，笔者利用人体动力学仿真软件建立人体多刚体模型，模拟行走过程，获取人体膝关节的横断面受力和矢状面角度学参数随时间参数的变化情况。
第一章绪论
1.1课题研究的背景与意义
人体膝关节，如图1.1所示，在人们日常生活中发挥着不可替代的作用，其健康程度直接影响着人们的生活质量。
据统计，膝关节骨性关节炎(Knee osteoarthritis,KOA)约占人体所有骨性关节炎中的1/5[1]。作为常见的非炎症性关节疾病，膝骨性关节炎的发病率随着年龄的增长不断上升，尤其影响中老年人的生活质量[2]。同时膝骨性关节炎的发病率也与生活环境以及地理位置息息相关[3]。人体膝关节结构主要分成三个间室，可能会出现其中任何一个或者多个间室发生膝关节骨性关节炎的情况[4]。膝关节骨性关节炎一般先发生在单个内侧胫股关节间室，如下图1.2所示，造成膝关节载荷力线的变化，加剧其他间室载荷承受比例，最后引起其他关节间室受损。
按照目前膝骨性关节炎阶梯化治疗的原则，对其最常的治疗方式通常有：保守治疗、关节镜微创治疗、膝关节置换术[5]。膝关节置换术是针对晚期膝骨性关节炎的终极治疗方法。
据统计，约有超过30%比例的患者早期KOA病变仅仅局限于一个间室[6]。同时也有相关文献表明[7]，对于一个间室的膝关节骨性关节炎来说，膝关节内侧的发病率远远高于外侧。对于治疗晚期的内侧骨关节炎来说，与TKA(Total KneeArthroplasty,TKA)相比UKA(Unicompartmental Knee Arthroplasty，UKA)的创伤更小、出血更少、住院时间更短，同时完整地保留了膝关节的前交叉韧带和后交叉韧带，能使患者最大程度地保留关节本体感觉以及活动度，术中截骨量少有利于二次翻修，这给中老年KOA患者带来了福音[8,9]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1膝关节单髁假体的发展
在20世纪50年代，在McKeever的提倡下，首个膝关节单髁假体问世[11]。1976年，Goolfellow等人[12]通过总结与创新，创造出了世界上第一个活动平台假体，如下图1.3所示。1982年，该活动平台假体应用于临床进行置换，发现治疗效果和患者满意度较之前都有较大的提高[13]。
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不同于活动平台假体，固定平台假体治疗效果较差[14]。2013年，Kwon等人[15]研究发现，相比于固定平台假体，活动平台假体能更好的降低应力集中。2017年卢明峰等人[16]通过临床统计发现移动式假体比固定式假体患者满意度更高。2019年，沙宇等人[17]对置换后下肢力线进行相关分析研究，发现活动平台假体相比于固定假体能更好使膝关节的科学受力。
目前关节假体固定一般使用骨水泥固定和生物固定两种固定方式。临床工作证明，科学的骨水泥技术能有效固定关节假体，其通过大块填充和微观的机械绞索，使关节假体不易发生微动。在膝关节单髁置换手术中，成功的关键在于假体与骨之间的稳定性，对于骨结构完整的年轻患者，首选生物型植入物，对于高龄或骨质结构受损的患者，则首选骨水泥假体。由于膝骨性关节炎患者多为中老年高龄，故目前临床应用较多的是骨水泥型UKA。
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第二章人体多刚体模型的建立及动力学仿真
2.2基于ADAMS二次开发的动力学软件
(Adams/LifeMOD)软件是一款通过将人体的各个组织设置为多刚体系统来进行相关的生物力学研究的二次开发软件。
(Adams/LifeMOD)动力学仿真软件可通过动力学仿真分析高度还原真实的人体运动，对于不同的动力学仿真动作，其主要仿真过程会有略微差异，但整体过程大致相似。
(Adams/LifeMOD)最为常用的动力学仿真软件，其强大的功能在于：
1、多样化建模。可采用如下方式进行建模：(1)(Adams/LifeMOD)软件中含有多种人体形态学数据库用于人体建模；(2)导入LifeMOD软件以.slf结尾的现有程序文件，该文件可以使用记事打开。(3)基于对人体模型的个性化要求，可以设置人体模型的各项身体部位基本形态参数。
2、特殊的人-机交互建模。LifeMOD与ADAMS的二次开发关系保证在LifeMOD中建立的人体模型可与其他建模软件所建立的模型相结合，从而达成一些复杂的人-机机交互模拟模拟要求。
3、量化动力学和运动学数据。因技术限制，测量体内动态技术目前还不能实现。(Adams/LifeMOD)软件可以通过逆向仿真自动实时记录关节和肌肉的运动数据，根据这些数据带动模型进行正向运动仿真，从而获得需要的动力学和运动学数据。
4、不同人体视觉模型的切换。如下图2.2所示，在完成基础的人体建模后，通过ADAMS访问其完整功能，可个性化设置人体模型的视觉展现形式，直到满足研究要求。
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2.3人体多刚体模型的建立与验证
本节将详细介绍利用LifeMOD软件模拟人体行走的完整过程。
2.3.1人体膝关节多刚体模型的建立与步态仿真
本节根据后期有限元仿真中所使用的志愿者的身体参数创建多刚体人体肢体部位，在Segment界面设置模型各个变量参数的基本单位、模型名称、年龄、颜色、体重、身高等，将其命名为“Casey”。创建该人体多刚体步态分析模型的详细步骤介绍：SEGMENTS>>CREATE BASE SET>>UNITS>>CREATE FULLBODY。为了减少计算量，降低计算机负荷，删除人体上肢，并通过增加骨盆质量来确保人体全身质量，去除上肢详细步骤介绍：SEGMENTS>>DELETE>>MODIFY>>APPLY。
为了使人体中的各部位连接在一起，必须给人体各个部位建立动态身体关节。建立各个动态身体关节具体详细步骤介绍如下：JOINT>>CREATE BASESET>>INVERSE DYNAMICS>>SELECT ALL>>EXECUTE。完成上述步骤后，选择骨骼模型视图完成基础建模，如图2.3所示。
在完成人体动态关节下肢模型的创建后，需要设置影响人体模型逆向动力学仿真的关节刚度阻尼比参数和运动代理刚度参数，因为当运动代理刚度过小时，运动代理刚度可能不足以牵引身体运动。反之，人体模型可能会存在振荡。根据以往经验，关节刚度阻尼比参数一般设置为10%。
接下来设置对模型的驱动，首先导入运动代理的输入文件.slf数据，使模型按照导入运动代理的输入文件.slf数据运动，详细步骤介绍：MOTION>>MOCAPDATA IMPORT>>GAIT>>USE FULL DATA SET>>APPLY。接下来创建运动代理，运动代理具有引导模型追踪输入文件中各段运动效果的作用，添加运动代理到模型中。
由于模型初始位置是随机定义的，需要使模型拟合到数据位置，如下图2.4所示。值得注意的是：此处将Gravity的数值设置为-9806。
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第三章基于医学数据的膝关节三维建模...........................-15
3.1引言...............................-15
3.2(CT/MRI)扫描图像的获取...........................-15
3.3膝关节三维实体模型的建立..........................-15
第四章膝关节单髁置前后有限元仿真分析...................-26
4.1引言.................................-26
4.2膝关节单髁置换三维模型建立.....................-26
4.2.1牛津膝单髁假体几何模型....................................-26
4.2.2膝关节单髁置换三维模型的建立............................-27
第五章膝关节单髁置换前后电测实验分析....................36
5.1引言....................................-36
5.2实验材料...............-36
第六章膝关节单髁置换界面应力失效分析
6.2材料与方法
6.2.1单髁置换模型
左膝关节影像资料来自一名与LifeMOD人体动力学仿真参数一致的健康志愿者，无风湿、类风湿等关节炎系统疾病，膝关节和各骨组织影像学检查正常。经过CT扫描机获取伸直相位位左下肢CT数据。采用核磁共振扫描仪获取其MRI数据。CT和MRI二维影像扫描数据以DICOM格式保存，并将数据导入医学软件Mimics和3-matic进行图像处理，通过阈值设定、腔隙填充、区域增长等操作描绘并提取出膝关节的所有结构组织，其中胫骨由松质骨和皮质骨组成。使用Geomagic Studio软件处理粗糙的模型表面从而得到精确的曲面。最后，将模型导入三维软件Solidworks进行实体化处理。
用SolidWorks三维软件进行单间室膝关节置换截骨和术后建模，参考临床中牛津膝单髁置换操作手册规范和志愿者股骨和胫骨的大小，选择3号牛津膝单髁模型。
在胫骨平台冠状位下方6mm，后倾5°对模型进行截骨。定义中性位下肢对齐为0°倾角进行牛津膝单髁假体的装配。骨水泥连接单髁假体与骨，骨水泥厚度为1mm。建立好的模型如下图6.1所示。
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第七章总结与展望
7.1总结
按照微创、保膝的原则单髁置换术成为治疗膝骨性关节炎疾病的重要方案。结合国内外对于膝关节单髁置换的研究现状和存在的问题，从仿真和实验两个角度对单髁置换前后膝关节的生物力学变化进行了分析研究。对于论文内容的总结如下：
(1)利用人体动力学仿真软件建立人体多刚体模型，模拟行走过程，获取人体膝关节的横断面受力和矢状面角度学参数随时间参数的变化情况。
(2)利用Mimics、Geomagic Studio、3-matic等医学软件从志愿者的CT图像和MRI图像提取左下肢模型，在Solidworks软件实体化，最终建立人体膝关节的三维模型。在有限元软件Abaqus中，对膝关节三维模型进行1000N竖直载荷的加载，发现仿真结果与现有文献的仿真结果和实验结果一致，说明建立的膝关节三维模型是有效的。
(3)基于前期已经建立好的正常膝关节模型结合现有的3号牛津膝单髁假体，模拟膝关节单髁置换手术的截骨装配过程，建立膝关节单髁置换三维模型。以LifeMOD的仿真基础上获得竖直状态下膝关节的峰值力作为边界条件进行加载，将置换前后膝关节的生物力学变化进行分析比较，将所得的结果和结论与相关文献进行比较验证。
(4)设计了与有限元仿真相对应的膝关节单髁置换电测实验方案，采用3号牛津膝单髁假体，模拟膝关节单髁置换手术的截骨装配过程。实验结果发现，膝关节单髁置换前后生物力学有明显的变化。同时将数值模拟的结果与电测实验的结果相对比具有较高的一致性，说明前期仿真分析结果有较强的可靠性。
参考文献（略）