膝關節(jié)半月板力學性能與切削機理研究.pdf

1、膝關節(jié)為人體中最復雜和最大的關節(jié)，具有很強的應力傳導能力，是人體最長的杠桿力臂。半月板是介于股骨髁與脛骨平臺之間的纖維軟骨墊，承受了膝關節(jié)大部分的應力，具有吸收向下傳達的震蕩，傳遞膝關節(jié)負荷力，穩(wěn)定膝關節(jié)的作用，是膝關節(jié)的一個重要輔助結構。在膝關節(jié)運動過程中半月板的位置和形態(tài)會發(fā)生改變，因此半月板的損傷常發(fā)生在運動中，是膝關節(jié)最常見的基礎疾患之一。隨著全民健身計劃的推廣，半月板損傷發(fā)病率急劇上升，且發(fā)病人群大多集中在青壯年。目前關節(jié)鏡微

2、創(chuàng)手術成為了一種檢查及治療膝關節(jié)疾病的有效手段，尤其是對半月板損傷有較高的準確率，極大提高了半月板損傷的治療水平。其切口小、創(chuàng)傷小、疤痕少、康復快、并發(fā)癥少等優(yōu)勢成為治療半月板損傷最常用的手段。要實現低損傷和快愈合的半月板手術，除了取決于臨床醫(yī)生的實際經驗外，微創(chuàng)刨刀使用性能優(yōu)劣及齒型結構設計的合理性也是重要的影響因素。在臨床中，手術刀具的選擇與應用，基本是依賴醫(yī)生的臨床經驗，以及醫(yī)療器械公司的銷售推薦，沒有形成相對統一的評價指標。針對

3、微創(chuàng)刨刀的半月板切削機理等相關方面的研究也尚未報道。
　　本文采用掃描電子顯微鏡進行了半月板組織的結構觀察，了解半月板生物材料的微觀分層結構；通過單軸壓縮實驗和應力松弛實驗，進行了半月板的力學性能測試；建立了模擬臨床關節(jié)鏡液態(tài)環(huán)境下半月板切削術的實驗平臺，利用高速攝影實時記錄半月板的刨削切削過程，利用測力儀同步采集半月板的刨削切削過程中的刨削力，分析了8款微創(chuàng)刨刀在不同齒型的內外管搭配方式及不同的刨削參數對半月板切削特征的影響；建

4、立了單元刀具為基本的簡化刨削模型，研究了不同齒型、齒形角的刨削刀具及切割速度對半月板的刨削特征和切削過程中半月板的斷裂失效機理。主要結論如下：
　　(1)半月板組織分為四層，分別是表面滑膜、表層、中層和深層。其中表面滑膜為多孔狀結構，主要用于物質交換和關節(jié)液運輸；表層纖維呈交叉網狀排列，每層纖維方向平行于半月板表面；中層和深層由大量環(huán)向纖維和少量的縱向纖維組成，環(huán)向纖維直徑隨中層往深層方向逐漸變大，其中深層的環(huán)向纖維由多個纖維束組

5、成。半月板內部及表面的撕裂，會嚴重改變半月板與膝關節(jié)軟骨以及自身纖維間的接觸情況，容易誘導關節(jié)炎的病發(fā)。
　　(2)半月板組織在應力-應變特性實驗中經歷3個階段：分別是起初線性階段，中期非線性階段和后期線性階段。內外側半月板的近端、中端、遠端三個部位彈性模型比較接近，其中外側半月板彈性模量比內側半月板相對較低；當載荷方向與半月板環(huán)向纖維垂直時，其彈性模量會大幅下降。另外外側半月板的松弛率要大于內側半月板，兩者中端位置的松弛率最低；

6、當受到垂直于環(huán)向纖維方向的載荷時，半月板的松弛率較高。在壓縮極限應力實驗中，裂紋出現在半月板內部環(huán)向纖維與縱向纖維的交界處。
　　(3)內外管齒形搭配不同，其半月板切削過程中切削力也有很大的差異，當刨刀外管切削齒型為淚滴齒，內管切削齒型為平齒時可有效降低半月板切削過程中的切削力，減少手術過程中切削力引起的第二次損傷的風險。
　　(4)在單向轉動和往返轉動兩種工作模式中，大部分刨刀在轉速為2100rpm時，其切削過程中的切削力

7、最小?？筛鶕煌吞柵俚兜那邢魈匦砸约芭R床需要選取合適的齒形以及切削參數，能一定程度提高刨刀的使用性能，縮短手術時間，減少手術切削過程對半月板組織的損傷。
　　(5)內外管齒型和轉動模式對切削后半月板形狀以及表面形貌有很大的影響。內管的齒形結構與切削參數是切削后半月板表面形貌特征的主要影響因素。平齒型內管能有效地減少游離態(tài)纖維組織的形成。外管的齒形結構對切削后的半月板邊緣位置形狀有很大的影響，使用外管齒形為淚滴齒或圓弧倒角齒的刨刀

8、進行半月板切削術，半月板末端形狀較為平整。往返轉動的工作模式有效減少兩側的薄壁狀的游離組織，提高半月板表面平整度。
　　(6)刨刀內外管齒型結構不同在切削過程中對半月板的作用方式也不相同，在前期半月板的切削過程中，三角齒型內管與半月板的接觸方式為點接觸，平齒型內管與半月板的接觸方式為線接觸。三角齒型的外管在切削過程中可以固定半月板組織，提高切削穩(wěn)定性，與三角齒形內管搭配使用時，內外管三角齒的側刃在“咬合”過程可以起到一定的剪切作用