Формы суставов человека таблица


сколько их, названия, виды, основные элементы, таблица суставов

Описание раздела

Суставы человека – это подвижные соединения двух и более костей. Именно благодаря им человек может передвигаться и выполнять различные действия. Они объединяют кости в единое целое, формируя скелет. Практически у всех суставов одинаковая анатомия, отличаются они только по форме и выполняемым движениям.

Сколько суставов у человека?

Суставов у человека свыше 180 штук. Существуют такие виды суставов, в зависимости от части тела:

  • височно-нижнечелюстные;
  • соединения кисти и стопы;
  • запястные;
  • локтевые;
  • подмышечные;
  • позвоночные;
  • грудные;
  • тазобедренные;
  • крестцовые;
  • коленные.

В таблице количество суставных соединений в зависимости от части тела.

Часть тела Приблизительное количество штук
Позвоночник 147
Грудная клетка 24
Верхние конечности 43
Нижние конечности 44
Область таза 15

Классификация проводится по таким признакам:

  • форма;
  • число суставных поверхностей;
  • функции.

По числу суставных поверхностей бывают простые, сложные, комплексные и комбинированные. Первые образуются из поверхностей двух костей, примером является межфаланговый сустав. Сложные являются соединениями из трех и более суставных поверхностей, например, локтевой, плечевой, лучевой.

В отличие от сложного, комбинированный отличается тем, что состоит из нескольких отдельных суставов, которые выполняют одну функцию. Примером может стать лучелоктевой или височно-нижнечелюстной.

Комплексный является двухкамерным, поскольку имеет внутрисуставный хрящ, который разделяет его на две камеры. Таким является коленный.

По форме сочленения бывают такие:

  • Цилиндрические. Внешне они похожи на цилиндр. Примером является лучелоктевой.
  • Блоковидные. Головка выглядит как цилиндр, снизу которого есть гребень, расположенный под углом 90˚. Под нее есть впадина в другой кости. Примером является голеностоп.
  • Винтообразные. Это разновидность блоковидных. Отличием является спиралеобразное расположение бороздки. Это плечелоктевой сустав.
  • Мыщелковые. Это коленный и височно-нижнечелюстной сустав. Суставная головка расположена на костном выступе.
  • Эллипсоидные. Суставная головка и впадина яйцевидной формы. Примером является пястнофаланговый сустав.
  • Седловидные. Суставные поверхности в форме седла, они располагаются перпендикулярно друг другу. Седловидным является запястно-пястное сочленение большого пальца.
  • Шаровидные. Суставная головка в виде шара, впадина – выемка, подходящая по размеру. Пример этого вида – плечевой.
  • Чашеобразные. Это разновидность шаровидных. Движения возможно во всех трех осях. Это тазобедренное сочленение.
  • Плоские. Это суставы с незначительной амплитудой движения. К этому виду можно отнести сочленения между позвонками.

Есть еще разновидности в зависимости от подвижности. Выделяют синартрозы (фиксированные суставные соединения), амфиартрозы (частично подвижные) и диартрозы (подвижные). Большинство сочленений костей у людей являются подвижными.

Строение

Анатомически суставы сложены одинаково. Основные элементы:

  • Суставная поверхность. Суставы покрыты гиалиновым хрящом, реже волокнистым. Его толщина 0,2-0,5 мм. Такое покрытие облегчает скольжение, смягчает удары и защищает капсулу от разрушения. При повреждении хрящевого покрытия появляются болезни суставов.
  • Суставная капсула. Она окружает полость сустава. Состоит из наружной фиброзной и внутренней синовиальной мембраны. Функция последней – уменьшение трения за счет выделения синовиальной жидкости. При повреждении капсулы в суставную полость попадает воздух, что приводит к расхождению поверхности сустава.
  • Суставная полость. Это закрытое пространство, которое окружено хрящевой поверхностью и синовиальной мембраной. Оно заполнено синовиальной жидкостью, которая также выполняет функцию увлажнения.


Вспомогательными элементами являются внутрисуставные хрящи, диски, губы, мениски, внутрикапсульные связки.

Сухожилия и связки укрепляют капсулу и способствуют движению сустава.

Самыми важными большими суставами человека являются плечевой, тазобедренный и коленный. У них сложное строение.

Плечевой – самый подвижный, в нем возможны движения вокруг трех осей. Он образован головкой плечевой кости и суставной впадиной лопатки. Благодаря его шаровидной форме возможны такие движения:

  • поднятие рук;
  • отведение верхних конечностей назад;
  • вращение плеча вместе с предплечьем;
  • движение кистью внутрь и наружу.

Тазобедренный подвергается сильным нагрузкам, он является одним из самых мощных. Образован вертлужной впадиной тазовой кости и головкой бедренной кости. Как и плечевой, тазобедренный имеет шаровидную форму. Также возможны движения вокруг трех осей.

Наиболее сложное строение у коленного суставного соединения. Он образован бедренной, большеберцовой и малоберцовой костью, играет большую роль в передвижении, поскольку вращения происходит по двум осям. Его форма – мыщелковая.

Коленный включает в себя множество вспомогательных элементов:

  • наружный и внутренний мениск;
  • синовиальные складки;
  • внутрисуставные связки;
  • синовиальные сумки.

Мениски выполняют роль амортизаторов.

Функции

Все суставы играют важную роль, без них человек не смог бы передвигаться. Они соединяют кости, обеспечивают их плавное скольжение, уменьшают трение. Без них кости разрушатся.

Кроме этого, они поддерживают положение тела человека, участвуют в передвижении и перемещении частей тела относительно друг друга.

Функции суставов человека определяются количеством осей. Каждой оси присущи выполняемые движения:

  • вокруг поперечной происходит сгибание и разгибание;
  • вокруг сагиттальной – приближение и удаление;
  • вокруг вертикальной – вращение.

В одном суставном соединении может происходить сразу несколько типов движения.

Круговые вращения возможны при движении вокруг всех осей.

По количеству осей бывают такие разновидности суставных соединений:

  • одноосные;
  • двуосные;
  • многоосные.

В таблице указаны возможные формы суставов согласно количеству осей.

Количество осей Форма Название
Одноосные Цилиндрические Срединный антлантоосевой
Блоковидные Локтевой
Двуосные Эллипсоидные Атлантозатылочный
Мыщелковые Коленный
Седловидные Запястно-пястный большого пальца руки
Трехосные Шаровидные Плечевой
Плоские Дугоотросчатый

Суставные соединения подвержены заболеваниям. Изменение их формы ведет к нарушению функционирования всего опорно-двигательного аппарата.

Очень важно своевременно обратиться за медицинской помощью. Поводом для беспокойства должны стать болезненные ощущения. Без суставов не существовало бы человеческого скелета, поэтому нужно поддерживать их нормальное функционирование.

Показать весь текст

Сколько суставов в теле человека

  • У всех ли людей одинаковое количество суставов?
  • Все ли суставы подвижны?
  • Что делает синовиальные суставы подвижными?
  • В чем разница между анатомом и ортопедом?

Сустав можно определить как точку пересечения, в которой встречаются две или более костей. В то время как скелет придает вашему телу рост, поддержку и форму, суставы придают ему подвижность и подвижность.Есть животные, у которых нет костей, и они двигаются за счет скоординированных движений разнонаправленных мышц. Им не хватает скорости и резвости, которыми обладают люди. Читайте дальше, чтобы узнать правду о том, сколько суставов в человеческом теле.

Человек, специализирующийся на структурировании и функционировании суставов, должен выучить совершенно новую терминологию из нескольких тысяч слов. Большинство этих терминов произошло от корневого слова «артрон», которое происходит от греческого слова, означающего сустав.

Некоторые общие термины, происходящие от «артрона», включают артроз, артрит, артропатию и артралгию. Термин «артроз» (множественное число: артрозы) просто означает сустав. Как и аппендицит, который относится к воспалению аппендикса, артрит означает воспаление сустава. Артропатия - это заболевание сустава, точно так же, как патология, означающая изучение болезни. Подобно невралгии, которая представляет собой нервную боль, артралгия означает боль в суставах.

Укажите для размышления: Знаете ли вы, почему многие анатомические термины произошли от латинского или греческого языков? Такие предметы, как греческий и латынь, которые сегодня редко преподают в школах, когда-то были универсальным языком философов и исследователей, которые классифицировали и классифицировали человеческое тело.

Сколько суставов в теле человека?

Вы можете логически предположить, что у всех людей должно быть равное количество суставов, но это не так! По разным источникам, количество стыков составляет от 300 до 400.

Мартин Ферриер Янг в своей книге «Основы физики для мануальной медицины» утверждает, что количество суставов в человеческом теле не фиксируется на уровне 360, а варьируется от человека к человеку. По его словам, и анатом, и структуралист должны знать, что один из двадцати пациентов, вероятно, родился с меньшим количеством суставов или с лишним количеством суставов, чем обычно.Особенно это касается позвоночника и позвоночника.

Следовательно, спинальные манипуляторы должны знать о биомеханических последствиях и последствиях различного количества суставов в позвоночнике у разных людей.

Типы суставов в вашем теле:

Есть два способа категоризации (классификации) суставов, то есть по их структуре и по их функциям. В действительности две системы классификации суставов значительно перекрывают друг друга.Ортопед или функционалист - это врач-клиницист, специализирующийся на механизме работы или функционирования суставов. С другой стороны, анатом или структуралист изучает строение суставов.

Фиброзный, хрящевой и синовиальный суставы - это три основных типа суставов в организме человека. Среди них фиброзные суставы неподвижны, а хрящевые допускают частичную подвижность. Третий тип, синовиальный, относится к свободно подвижным.

Волокнистый:

Когда прочная соединительная ткань плотно удерживает две соседние кости, это приводит к образованию фиброзного сустава.Функционально называемый синартрозом («син» означает «вместе» и «артрон» означает «сустав» по-гречески), фиброзный сустав не допускает каких-либо значительных движений.

Хрящевой:

Присутствие хрящевых элементов в суставе дает ему некоторую гибкость, но ограничивает свободу движений. Греческий термин для обозначения этого типа сустава - амфиартроз, где «амфи» означает «с обеих сторон», а «артрон» означает «сустав».

Синовиальный:

Характеризуется синовиальной капсулой, синовиальный сустав свободно подвижен.Здесь свободное движение ограничено только анатомией сустава и мягкими тканями, удерживающими элементы вместе. Суставы, подпадающие под эту категорию, имеют все элементы, необходимые для свободного движения.

Это заполненная жидкостью мембрана между костями, которая обеспечивает свободу движения синовиального сустава. В вашем теле есть шесть различных типов свободно подвижных суставов, а именно шарнирные, шарнирные, плоские, седловидные, кондиллоидные и шарнирные. Некоторые из этих типов кратко описаны с примерами ниже.

  • На шарнире: Эти шарнирные сочленения расположены в коленях и локтях.
  • Поворот: Поворотный сустав, расположенный на уровне атласа и осевых костей позвоночника, обеспечивает вращательное движение шеи.
  • Шарнирное соединение: Сферическое или шарнирное соединение состоит из почти круглого шара, находящегося в полой поверхности, как в плече, так и в бедре.
  • Плоскость: Плоское соединение, также называемое скользящим суставом, образовано простым наложением двух плоских поверхностей, при этом суставные поверхности скользят друг над другом, обеспечивая небольшое движение.Примеры включают внутриплюсневые и интракарпальные суставы.
.

Анатомия суставов | Блог HealthEngine


Человеческие суставы Введение

Человеческий сустав определяется как область соединения двух или более костей или частей костей скелета, в медицинской практике это называется сочленением.
Структура сустава, включая способ взаимодействия поверхностей, гибкость окружающих тканей и положение связок, мышц и сухожилий - все это играет важную роль в определении типа движения, которое происходит в суставе.


Классификация суставов

Функциональная классификация шарниров
Эта классификация основана на величине перемещений, допускаемых соединением.

  • Синартрозы Суставы: неподвижные суставы напр. суставы между костями черепа, зуб в лунке
  • Амфиартрозы Суставы: малоподвижные суставы, напр. между большеберцовой и малоберцовой костью, диски между позвонками
  • Диартрозы Суставы: эти суставы являются наиболее распространенным типом суставов и очень подвижны e.грамм. тазобедренный, локтевой и т. д.


Структурная классификация суставов
Эта классификация основана на различиях в типах материалов и механизмах взаимодействия поверхностей костей.

Ниже представлен рентгеновский снимок здорового коленного сустава.


Фиброзные суставы

Фиброзные суставы объединены фиброзной тканью.
Вот несколько примеров типов фиброзных соединений:

  • Швы: Швы найдены внутри черепа.Швы состоят из двух костей, расположенных близко друг к другу, которые соединяются, переплетаясь или перекрывая друг друга.
  • Синдесмоз: Синдесмоз - это фиброзный сустав, состоящий из двух костей, которые объединены листом фиброзной ткани. Примером этого типа сустава является межкостная перепонка в предплечье, которая связывает локтевую и лучевую кости.
  • Gomphosis: Gomphosis состоит из кости с отростками (зубом), которые входят в гнездо, образуя сустав, который не может двигаться.Подвижность сустава этого типа указывает на аномалию, например, шатающийся зуб у взрослого человека.


Хрящевые суставы

В хрящевых суставах сращение костей происходит через хрящ.
Есть две основные категории хрящевых суставов:

  • Первичные хрящевые суставы: Первичные хрящевые суставы являются временными суставами. Эти суставы образуются в процессе роста скелета.
  • Вторичные хрящевые суставы: AKA симфизы - это сильные суставы, которые обладают малоподвижностью.Эти соединения хорошо поглощают удары и обеспечивают прочность конструкции. Примером такого сустава являются межпозвонковые суставы.


Синовиальные суставы

Эти суставы являются наиболее распространенными и встречаются почти во всех суставах конечностей. Эти суставы содержат суставную полость, содержащую жидкость, позволяющую костям скользить друг по другу, не трогая и не вызывая боли. Полость сустава покрыта мембраной, которая отвечает за выработку жидкости.Укрепление этих суставов происходит через связки.

Изображение любезно предоставлено доктором Иваном Саенсом (Virtual Medical Vision)

Синовиальные суставы имеют три отличительные особенности:

  1. Полость сустава
  2. Хрящ суставной
  3. Суставная капсула

Синовиальные суставы можно дополнительно классифицировать в зависимости от формы их суставных поверхностей или движения, которое позволяет сустав.Согласно этой системе классификации существует шесть основных типов синовиальных суставов.

  • Плоские суставы: Эти суставы допускают скольжение и скольжение благодаря тому, что суставные поверхности костей плоские, что означает, что они допускают движение только в одной плоскости (одноосные суставы). Примером этого типа сустава является сустав между лопаткой и ключицей.
  • Шарнирные соединения: Эти шарниры допускают только сгибание и разгибание, а также одноосные.Примером такого типа сустава является локтевой сустав.
  • Седловые шарниры: Эти шарниры, как следует из названия, имеют форму седла и допускают движение в двух отдельных плоскостях и называются двухосными шарнирами. Примером этого типа сустава является сустав большого пальца.
  • Кондилоидные суставы: Эти суставы двухосные. Примером этого типа сустава является поворотный кулак.
  • Изображение предоставлено
    Dr Iván Saenz (Virtual Medical Vision)

    Шаровые шарниры: Шаровые шарниры состоят из сферической головки, шарнирно соединенной с куполообразной чашкой.Из-за своей структуры эти типы суставов допускают движения в нескольких плоскостях и называются многоосными суставами. Примером этого типа сустава является тазобедренный сустав.

  • Шарнирные соединения: Это одноосные шарниры, допускающие вращение. Примером может служить сустав между первым и вторым позвонками на шее.

Список литературы

  1. Кумар П. и Кларк М. Клиническая медицина. 5-е изд. Эдинбург. ВБ Сондерс 2002
  2. Мур К.Л. и Далли А.Ф.Клинически ориентированная анатомия 4-е изд. Филадельфия. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. 1999
  3. Wolloston A ed. Рентгеновский снимок по инициативе медсестры. Район службы здравоохранения Тувумба, Queensland Health. 2005
.

Типы суставов, переменные и многое другое

На вопрос о том, сколько суставов в человеческом теле, сложно ответить, потому что он зависит от ряда переменных. Сюда входят:

  • Определение суставов. Некоторые определяют сустав как точку, в которой соединяются 2 кости. Другие предполагают, что это точка, в которой кости соединяются с целью движения частей тела.
  • Включение сесамоидов. Сесамоиды - это кости, встроенные в сухожилия, но не связанные с другими костями.Надколенник (коленная чашечка) - самый крупный сесамовидный сустав. Эти кости различаются по количеству от человека к человеку.
  • Возраст человека. Младенцы появляются примерно с 270 костей. Некоторые из этих костей срастаются во время роста. Взрослые имеют около 206 именованных костей, 80 из которых находятся в осевом скелете и 126 - в аппендикулярном скелете.

Короче говоря, однозначного ответа на этот вопрос нет. Приблизительное число составляет от 250 до 350.

Человеческое тело имеет три основных типа суставов.Они классифицируются по разрешенным механизмам:

  • Синартрозы (недвижимые). Это фиксированные или фиброзные суставы. Они определяются как две или более костей, которые находятся в тесном контакте и не имеют движения. Примером могут служить кости черепа. Неподвижные суставы между пластинами черепа известны как швы.
  • Амфиартрозы (малоподвижные). Также известные как хрящевые суставы, эти суставы определяются как две или более костей, которые держатся вместе так плотно, что могут иметь место только ограниченные движения.Позвонки позвоночника - хорошие тому примеры.
  • Диартрозы (свободно перемещаемые). Также известные как синовиальные суставы, эти суставы содержат синовиальную жидкость, позволяющую всем частям сустава плавно перемещаться друг относительно друга. Это самые распространенные суставы в вашем теле. Примеры включают суставы, такие как колено и плечо.

Существует шесть типов свободно подвижных диартрозных (синовиальных) суставов:

  • Шаровидный сустав. Обеспечивая движение во всех направлениях, шаровидный шарнир имеет скругленную головку одной кости, которая находится в чашечке другой кости.Примеры включают плечевой и тазобедренный суставы.
  • Шарнирный шарнир. Петли подобны двери, открывающейся и закрывающейся в одном направлении, в одной плоскости. Примеры включают локтевой и коленный суставы.
  • Кондилоидный сустав. Кондилоидный сустав допускает движение, но не вращается. Примеры включают суставы пальцев и челюсть.
  • Шарнирный шарнир. Поворотный сустав, также называемый вращательным суставом или трохоидным суставом, характеризуется одной костью, которая может поворачиваться в кольцо, образованное из второй кости.Примерами являются суставы между локтевой и лучевой костями, которые вращают ваше предплечье, и сустав между первым и вторым позвонками на шее.
  • Шарнир скольжения. Скользящее соединение также называется плоским соединением. Хотя он допускает лишь ограниченное движение, он отличается гладкими поверхностями, которые могут скользить друг по другу. Примером может служить сустав запястья.
  • Седлевой шарнир. Хотя седловой шарнир не допускает вращения, он позволяет перемещаться вперед и назад и из стороны в сторону.Примером может служить сустав у основания большого пальца.

Скелетная система взрослого человека имеет сложную архитектуру, которая включает 206 именованных костей, соединенных хрящами, сухожилиями, связками и тремя типами суставов:

  • синартрозов (неподвижных)
  • амфиартрозов (малоподвижных)
  • диартрозов (свободно подвижный)

Хотя фактическое количество суставов у любого человека зависит от ряда переменных, расчетное количество составляет от 250 до 350.

.

Последние достижения в вычислительной механике коленного сустава человека

Вычислительная механика развита во всех областях ортопедической биомеханики. Цель данной статьи - дать общий обзор вычислительных моделей, используемых для анализа механической функции коленного сустава при различных нагрузках и патологических состояниях. Сначала резюмируются основные обзорные статьи, опубликованные в смежных областях. Чтобы облегчить понимание моделирования суставов, кратко обсуждаются конститутивные модели мягких тканей колена.Далее представлен подробный обзор моделей тибио-бедренного сустава. Также обсуждаются процедуры восстановления геометрии, а также некоторые важные вопросы конечно-элементного моделирования. Вычислительное моделирование может быть надежным и эффективным методом исследования механического поведения коленного сустава, если модель построена правильно. Однофазные модели материала использовались для прогнозирования мгновенной реакции на нагрузку для здоровых коленей и восстановленных суставов, таких как полные и частичные менискэктомии, реконструкции ПКС и ПКС, а также замены суставов.Недавно были предложены поромеханические модели, учитывающие повышение давления жидкости в мягких тканях для изучения вязкоупругой реакции здоровых и поврежденных коленных суставов. В то время как конститутивное моделирование значительно продвинулось на уровне ткани, многие проблемы все еще существуют в применении хорошей модели материала для трехмерного моделирования суставов. Полная проверка модели на совместном уровне в настоящее время кажется невозможной, поскольку экспериментально могут быть получены только простые данные. Следовательно, проверка модели может быть сосредоточена на основных законах с использованием нескольких механических испытаний тканей.Обширные проверки модели на общем уровне по-прежнему имеют решающее значение для точности моделирования.

1. Введение

человеческое колено является самым крупным совместным в костно-мышечной системе, которая поддерживает вес тела и облегчает передвижение. Колено состоит из двух различных сочленений: бедренно-большеберцового и надколенниково-бедренного суставов [1]. Бедренно-большеберцовый сустав - одно из самых сложных сочленений человеческого тела, его основными тканями являются бедренная кость, большеберцовая кость, малоберцовая кость, суставные хрящи, мениски и связки.Бедренно-большеберцовый сустав обеспечивает относительное движение бедренной и большеберцовой кости, чему способствует механический контакт между хрящами и менисками [2]. Чтобы понять распространенные травмы и развитие остеоартрита (ОА), были проведены обширные экспериментальные и вычислительные исследования этого сустава и его отдельных тканей. Среди вычислительных подходов широко используется метод конечных элементов (МКЭ) для исследования биомеханики коленного сустава на клеточном, тканевом и суставном уровнях.

Самое раннее применение МКЭ в биомеханике относится к 1972 году [3], всего через десять лет после того, как МКЭ был представлен в качестве мощного инструмента структурного анализа. С тех пор FEM используется в различных областях биоинженерии. В 1983 г. первая обзорная статья по применению МКЭ в ортопедической биомеханике была опубликована Huiskes и Chao [4]. В 1992 г. Клифт рассмотрел применение МКЭ в биомеханике хряща и исследовании ОА [5]. Позже Goldsmith и соавторы сделали обзор анализа напряжения суставного хряща при сжимающей нагрузке в 1996 г. [6].Однофазные и двухфазные аналитические модели суставного хряща и их модели FE обсуждались в их статье наряду с экспериментальными исследованиями. В обзоре Hasler и соавторов обсуждались экспериментальные методы и теоретические модели суставного хряща, а также обобщались свойства материала для нормальных, патологических и восстановленных хрящей [7]. Knecht и соавторы проанализировали исследования механических свойств суставного хряща и предоставили справочные данные по свойствам хряща при преостеоартрите; представленные данные могут быть использованы при изучении дегенерации хрящевой ткани и диагностике остеоартрита [8].

В последнее десятилетие многие обзоры были посвящены конститутивному моделированию отдельных тканей колена. Уилсон и соавторы рассмотрели вычислительные и аналитические модели суставного хряща, предложенные для изучения механического поведения и механизмов повреждения. Рассмотренные ими модели включали набухание и химическое расширение [9]. Тейлор и Миллер обобщили макроскопические и микроструктурные конститутивные модели хрящевой ткани [10]. На макроскопическом уровне, как в однофазных и двухфазных моделях, основное механическое поведение хряща обсуждалось без учета микроструктурных компонентов ткани (таких как фибриллы коллагена).Микроструктурные модели включают модели, армированные фибриллами, и модели набухания, как обсуждается в обзоре. van Donkelaar и Schulz [11] обсуждали патенты на механическую стимуляцию трансплантатов хряща и нагруженных хондроцитами каркасов с использованием биореакторов. Хотя в статье не обсуждается конститутивное моделирование, она предоставляет полезную информацию для моделирования хрящей тканевой инженерии с помощью КЭ. Ву и соавторы рассмотрели математические модели связок, уделяя особое внимание вязкоупругим моделям.В частности, они сравнили теорию квазилинейной вязкоупругости (QLV) с единой интегральной моделью конечных деформаций [12]. Вайс и соавторы оценили вычислительные модели связок в одномерном и трехмерном масштабах с акцентом на взаимосвязь микроструктур и механического поведения континуума [13, 14]. Помимо численных аспектов, в их работе также обсуждались экспериментальные исследования свойств материала связок [13]. Провенцано с соавторами пересмотрели нелинейные вязкоупругие модели связок на основе существующих экспериментальных данных и оценили их способность предсказывать зависимость от амплитуды и частоты деформации [15].

Несмотря на обширные аналитические и вычислительные исследования коленного сустава человека, в литературе доступно мало обзорных статей в этой области. Hefzy et al. рассмотрели аналитические модели коленного сустава, используемые для описания кинематики и кинетики коленного сустава [16], а затем обновили обзор [17]. Эти аналитические модели используют механику твердого тела и обычно игнорируют деформацию тканей, таких как хрящи и мениски. Peña и соавторы рассмотрели вычислительные модели коленных и височно-нижнечелюстных суставов человека, уделяя особое внимание вязко- / гиперупругому конститутивному поведению мягких тканей, включая мышцы, связки, сухожилия и суставной хрящ как однофазные материалы [18].Elias и Cosgarea рассмотрели различные вычислительные аспекты пателлофеморального сустава, включая методы моделирования, например, индивидуальное моделирование пациента и клинические приложения [19]. Mackerle опубликовал библиографию по моделированию и симуляции в ортопедии за 1998–2005 годы. Библиография предоставляет обширный список публикаций в различных областях вычислительной биомеханики, включая коленные и тазобедренные суставы [20].

Цель этой статьи - предоставить общий обзор вычислительных моделей коленного сустава, предлагаемых для различных биомедицинских / клинических приложений.Для краткости в нашей статье будут рассмотрены FE-модели тибиофеморальных суставов с некоторыми примерами пателлофеморальных суставов. Кратко обсуждаются конститутивные модели мягких тканей колена. Также рассматриваются процедуры восстановления геометрии, а также некоторые вопросы моделирования методом конечных элементов. После этого представлен подробный обзор опубликованных совместных моделей. Рассмотрены репрезентативные статьи по различным аспектам биомеханики коленного сустава, включая общее контактное поведение, реконструкцию ПКС и ПКС, менискэктомию, замену коленного сустава и экспериментальную проверку.Наконец, обсуждаются оставшиеся проблемы и возможные направления на будущее в этой области.

2. Конститутивное моделирование тканей

Было разработано несколько конститутивных моделей для моделирования механической реакции отдельных тканей колена в 1D или 2D геометрии. Эти модели могут обеспечить соотношение напряжения и деформации для трехмерных исследований колена. Мы не собираемся рассматривать конститутивные модели тканей, но даем краткое изложение конститутивного описания, чтобы облегчить наш обзор вычислительных исследований коленного сустава.

Среди всех мягких тканей коленного сустава большой интерес вызывает суставной хрящ из-за значительного влияния ОА на качество жизни. Хрящ состоит из пористой матрицы, насыщенной водой. Около 68–85% веса хряща составляет вода [21]. Пористый матрикс состоит из хондроцитов, коллагеновых волокон (в основном типа II) и отрицательно заряженных протеогликанов. Коллаген и протеогликаны составляют около 50–70% и 30–35% сухой массы матрикса, соответственно. Ориентация волокон в зрелом хряще варьируется в зависимости от глубины: параллельно суставной поверхности в поверхностной зоне, беспорядочно в средней зоне и перпендикулярно границе раздела костей в глубокой зоне [7, 22].

За последние четыре десятилетия были проведены обширные исследования для понимания сложного поведения суставного хряща и улучшения конститутивного моделирования. Ранние конститутивные модели суставного хряща были однофазными, то есть рассматривалась только твердая фаза ткани [23–28]. Эти модели имеют ограниченные возможности в описании зависящей от времени реакции хряща, которая в основном связана с потоком интерстициальной жидкости, когда ткань находится в состоянии сжатия. Вязкоупругость учитывалась в некоторых из этих моделей для описания зависимой от времени реакции хряща [24, 25, 27].Однако однофазные вязкоупругие модели не описывают поток жидкости в ткани. Влияние давления жидкости на жесткость ткани включается в общий модуль Юнга, часто называемый эффективным модулем, который, естественно, выше, чем у дренированной ткани [29, 30]. Получить эффективный модуль упругости часто сложно, потому что давление зависит от времени и скорости деформации [31–33].

Пороупругие и двухфазные модели, которые учитывали как твердую, так и жидкую фазы, были вторым поколением конститутивных моделей, предложенных для учета эффектов повышения давления жидкости.Пороупругие модели были основаны на теории консолидации почвы Био [34, 35] и впервые были использованы в биомеханике для моделирования черепа и других костных структур [36–38]. В 1980 году линейная двухфазная теория была предложена для суставного хряща [39] и затем доработана для включения переменной проницаемости [40] и большой деформации [41, 42]. Хотя уравнения поля в линейной двухфазной теории отличаются от уравнений пороупругости, было доказано, что обе линейные теории эквивалентны для случая невязких жидкостей [43].Однако сообщалось о некоторых несоответствиях в сопоставлении свойств материалов, определенных в этих двух теориях [44]. И пороупругие, и двухфазные модели имели ограниченные возможности для описания кратковременного, зависящего от времени отклика, когда скорость деформации сжатия была высокой. Одна из причин заключается в том, что давление жидкости было относительно высоким по сравнению с сжимающим напряжением в тканевом матриксе [45, 46]. Тестирование суставного хряща показало, что эффективный модуль упругости при быстром сжатии может быть на порядок выше, чем при медленном [31].

Армированные фибриллами модели были предложены для учета высокого давления жидкости в ткани [47, 48] и могут рассматриваться как третье поколение конститутивных моделей хряща. В отличие от пороупругой / двухфазной модели, не армированной фибриллами, модель, армированная фибриллами, может разумно предсказать напряжения в хряще при быстром сжатии [33]. Фибриллярная нелинейность была важным фактором при моделировании компрессии суставного хряща с высокой скоростью деформации; линейной модели, армированной фибриллами, недостаточно для описания реакции хряща на нагрузку при быстром сжатии.

Трехфазные модели были предложены для учета ионной фазы в матриксе протеогликана как третьей фазы в дополнение к жидкой и твердой фазам [49]. Общие отрицательные заряды протеогликанов способствуют набуханию хряща и повышают жесткость ткани [49, 50]. Позже трехфазная теория была расширена для учета мультиэлектролитов и поливалентных ионов Гу и соавторами [51]. Хотя трехфазные модели предоставляют более конкретные данные о свойствах хряща, двухфазные и армированные фибриллами модели все еще широко используются в литературе для моделирования хряща.

Связки ограничивают движение сустава для стабилизации сустава. Эти ткани состоят из протеогликановой матрицы, усиленной коллагеновыми волокнами (в основном типа I) и эластином. Примерно 60–70% веса связки составляет вода [13]. Пучки коллагена в основном выровнены в продольном направлении, чтобы обеспечить высокую жесткость связок. Содержание эластина обычно составляет около 1% от общей массы связок и обеспечивает эластическое восстановление ткани [52, 53].

Были предложены обширные вычислительные модели для связок и сухожилий.Поскольку в механической реакции связок преобладают коллагеновые волокна, большинство предложенных моделей сосредоточено на конститутивном поведении коллагена для прогнозирования реакции связок. Фунг предложил одномерную конститутивную модель, основанную на экспоненциальной зависимости напряжения от деформации, учитывающей нелинейное поведение связки при конечных деформациях [54]. Позднее Хильдебрандт и соавторы распространили модель Фунга на двухосные и трехмерные случаи [55]. Были предложены некоторые другие модели, предполагающие независимость скорости деформации и незначительный эффект гистерезиса; то есть не учитывалась зависимость от времени и предполагалась эластичность.В этих одномерных исследованиях пучки линейных упругих элементов использовались для моделирования связок. Чтобы уловить нелинейное поведение ткани, отдельные линейные эластические волокна в связке считались слабыми, когда связка не была нагружена извне, и постепенно задействовали их для сопротивления повышенному натяжению [56–61].

Энергия деформации и гиперупругость использовались при исследовании связок [62–68]. Ланир предложил метод, основанный на энергии деформации, для описания трехмерного поведения связки [62].Ответ матрицы был упрощен как гидростатическое давление, и большая часть общей энергии деформации была вызвана растяжением коллагеновых волокон. Вайс и соавторы предложили гиперупругие континуальные модели связок, основанные на предположении о несжимаемости [64, 67]. При их моделировании коллагеновые волокна, матрица основного вещества и взаимодействие между волокном и матрицей внесли свой вклад в реакцию ткани. Несжимаемость была обеспечена в их моделях на основе предположения, что жидкость задерживается в ткани во время нагрузки, и поэтому экссудации жидкости не происходит.

Из-за присущей коллагеновым волокнам вязкоупругости и экссудации жидкости из твердого матрикса реакция связки зависит от времени. Во многих исследованиях вязкоупругость связок рассматривалась с использованием моделирования пружинно-дроссельной заслонки [57, 58, 69, 70], предполагая матрицу волокон и трение между волокнами [71] или используя подход механики сплошной среды [72–75]. Среди всех предложенных моделей квазилинейная теория вязкоупругости (QLV), разработанная Фангом [54, 72, 76], широко использовалась в вычислительных исследованиях, вероятно, из-за ее простоты.Течение жидкости было включено в несколько исследований с использованием теории пороупругости [77, 78]. С помощью этих моделей были изучены поток жидкости и соответствующая реакция ткани на одноосное растяжение, релаксация напряжения и циклические нагрузки.

Связки обычно моделируются как пружинные элементы в трехмерных моделях коленного сустава (Таблица 1). Нелинейное поведение материала (обычно квадратичная зависимость напряжения от деформации) часто используется для области носка до ~ 6% деформации растяжения, что вдвое превышает так называемый параметр нелинейной пружины [79–81].Зависимость напряжения от деформации для деформаций более 6% считается линейной. Жесткость при растяжении пружинных элементов может быть определена соответствующим образом при условии, что геометрия связки известна. Жесткость на сжатие принимается равной нулю, поскольку связка не выдерживает нагрузки, когда она ослаблена. Некоторый уровень предварительного напряжения существует в связках до того, как сустав подвергнется внешним нагрузкам (ACL, MCL и LCL находятся в предварительном растяжении, а PCL в предварительном сжатии) [79, 82, 83], которые часто включаются в материальную модель связок.Помимо пружинных элементов, в некоторых исследованиях рассматривалось трехмерное представление связок, в которых эти ткани моделировались как гиперупругие [84, 85] или поромеханические, армированные фибриллами [86–88].


Ткань Модель материала
Однофазный (только твердые фазы) Поромеханический
Жесткий Пружинные элементы Линейно-упругие Гиперупругий Вязкоупругий Армированный волокном Армированный волокном
Изотропный Трансверсально изотропный

Кости [80, 81, 84–88, 97, 107–111, 113–116, 121, 137, 143, 148 , 150, 158–160, 190–195, 199–201, 206, 213] [32, 105, 110, 136, 138, 144–146, 150, 152, 157, 198, 209, 215]

Суставные хрящи Жесткий бедренный хрящ; деформируемый большеберцовый хрящ [81] [18, 80, 81, 84, 85, 97, 105, 108–111, 114–116, 121, 136, 137, 142, 143, 145, 146, 150, 152 , 157–160, 190, 191, 193–195, 199, 200, 209] [105] [113, 174, 214] [113, 148, 198] [32, 86 –88, 112, 138, 139]

Мениски [81, 107, 108, 143, 190] [18, 84, 105, 109, 142, 150, 157 , 193–195, 199, 200, 209] [85, 97, 110–112, 136, 160] [113] [80, 113–116, 148, 158, 159, 191, 198] [32, 86–88, 138, 139]

Связки [80, 81, 97, 107, 108, 110, 111, 113–116, 143, 148, 150, 158, 159, 190, 191, 206, 210, 211] [215] [18, 84, 85, 109, 142, 192–195, 199, 209] [86 –88] [206]

Мениски имеют форму полумесяца и расположены между бедренным и большеберцовым хрящами и прикрепляются к большеберцовой кости через связочные ткани, называемые рогами менисков [1].Клиновидное поперечное сечение менисков обеспечивает конгруэнтность суставов и минимизирует прямой контакт между бедренным и большеберцовым хрящами [89]. Мениски поддерживают и перераспределяют часть нагрузки на сустав, улучшают стабильность сустава и облегчают смазку [90–92]. Некоторые исследования также предполагают, что мениски действуют как амортизатор [91, 93, 94], в то время как другие не поддерживают эту гипотезу [95]. Подсчитано, что на мениски приходится 45–75% нагрузки на сустав, в зависимости от нагрузки на колено и состояния тканей [2].Основными составляющими мениска являются жидкость, протеогликановый матрикс и коллагеновые волокна (в основном тип I) [21]. Вода является наиболее распространенным компонентом и составляет около 60–70% веса ткани [21]. Коллагеновые волокна весят около 15-25%, а протеогликаны - 1-2% [21]. Волокна в менисках преимущественно ориентированы в окружном направлении [96], что перераспределяет нагрузку в виде кольцевых напряжений [92, 97, 98].

Механический отклик мениска зависит от времени из-за потока жидкости и собственной вязкоупругости коллагеновых волокон.Однако в ранних конечно-элементных моделях менисков эти ткани были представлены как осесимметричные с однофазными линейными упругими свойствами в контакте с деформируемыми костями [99]. В улучшенной осесимметричной модели было рассмотрено нелинейное поведение материала в окружном направлении [100]. Трансверсально изотропное поведение и осесимметрия рассматривались в некоторых более поздних FE-моделях менисков [101, 102]. В параметрическом осесимметричном исследовании КЭ сравнивались изотропная, ортотропная армированная волокном и пороупругая модели [103].В этом исследовании был сделан вывод, что армирование волокном является важной частью моделирования менисков. Спилкер и соавторы разработали двухфазную модель менисков с трансверсально-изотропным поведением для твердой фазы ткани. В их исследовании использовалась линейная двухфазная теория [104]. Уилсон и соавторы использовали теорию консолидации в ABAQUS для двухфазного моделирования менисков с осесимметричным представлением. В их исследовании также использовались трансверсально-изотропные свойства [105]. Свойства гиперупругого материала для рогов менисков были количественно определены в исследовании Абрахама и соавторов [106].В трехмерных моделях коленного сустава мениски обычно моделируются как однофазные материалы, представленные пружинными элементами [81, 107, 108], изотропными твердыми телами [84, 109], трансверсально изотропными твердыми телами [110–112] или армированными волокнами. материалы [80, 113–116]. В последнее время поромеханические модели менисков, армированные фибриллами, были включены в 3D-моделирование коленного сустава [87, 88]. Рога мениска обычно моделируют как пружинные элементы [112] или мениски фиксируются в местах их введения [87]. В таблице 1 представлен полный список различных моделей материалов для различных тканей коленного сустава.

3. Вычислительные модели коленного сустава

Модели коленного сустава можно разделить на аналитические и вычислительные. Аналитические модели использовались для описания кинематики коленного сустава и получения информации о кинетике сустава. В этих моделях обычно не учитывается деформация тканей, за исключением связок, и изучаются только движения твердого тела. Эту методологию часто называют обратной динамикой (динамикой твердого тела), и ее можно назвать аналитической, поскольку для решения требуется лишь незначительная численная работа (в этой статье мы называем ее аналитической, хотя и требуется некоторая численная работа).Аналитические модели с разной степенью точности опубликованы в литературе. Эти модели использовались для описания движения и кинематики суставов в 2D / 3D и для прогнозирования нагрузок на мышцы, сухожилия и связки [79, 107, 117–128]. В некоторых из этих моделей (в основном 2D) для описания взаимодействий с тканями использовались простые контактные алгоритмы, такие как контактный подход Герца [123, 129, 130]. В некоторых аналитических моделях учитывались геометрические нелинейности [120, 130] и часто учитывались инерционные эффекты костей [131, 132].В некоторых недавних исследованиях модели твердого тела скелетно-мышечной системы были объединены с подходом FE для изучения механики контакта колена и роли менисков в функционировании сустава [133, 134].

Валидация - необходимый шаг в разработке модели. Установленные данные могут помочь исследователям проверить свои кинематические модели и модели твердого тела. Проект Grand Knee Challenge предоставляет базу данных, в которой доступны данные in vivo, колена, такие как контактное усилие большеберцовой кости, мышечные силы и реакции опоры [135].Хотя аналитические модели предлагали надежные подходы к определению кинематики коленного сустава, они обладали ограниченными возможностями для описания моделей напряжения / деформации хрящей, менисков и связок в трехмерных конфигурациях. Более того, нелинейный, анизотропный и зависящий от времени отклик мягких тканей нельзя было зафиксировать с помощью этих моделей. Кроме того, аналитические модели не подходили для моделирования сильно нелинейного механического контакта между сочленяющимися поверхностями, подвергающимися большим деформациям.Более полный обзор аналитических моделей можно найти в обзорах Hefzy et al. [16, 17]. Настоящий обзор посвящен расчетным совместным моделям.

3.1. Геометрия и создание сетки коленного сустава

Геометрия коленного сустава обычно реконструируется из набора изображений, полученных с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии (КТ) или микро-КТ сустава. Изображения МРТ обычно предпочтительнее для реконструкции мягких тканей, тогда как изображения КТ более точны для твердых тканей (костей).Пакеты программного обеспечения для обработки изображений, такие как Mimics (Materialize, Левен, Бельгия) и Simpleware (Эксетер, Великобритания), и пакеты геометрического моделирования, такие как Rhinoceros 3D (Сиэтл, Вашингтон, США), могут использоваться для восстановления 3D-геометрии из 2D. изображений. Важным процессом при реконструкции геометрии является точное выделение границ тканей на изображениях. Этот процесс называется сегментацией и может выполняться автоматически или вручную [14]. После извлечения исходной геометрии из изображений, как показывает наш опыт, обычно требуется дополнительное редактирование для повышения точности модели и сглаживания поверхностей.Обычно это делается путем устранения артефактов, таких как избыточные края / вершины, небольшие зазоры и острые края, которые могут привести к невозможности создания сетки или ненужной плотной сетки. При необходимости можно использовать некоторые программные пакеты, такие как Geomagic (Моррисвилл, Северная Каролина, США), для улучшения качества геометрии поверхности.

Сетку FE можно создать с помощью встроенных функций программного обеспечения для обработки изображений. В качестве альтернативы, процесс создания сетки может выполняться в программах FE, таких как ABAQUS (Simulia, Providence, США), или в специализированных программах создания сетки, таких как HyperMesh (Altair, Troy, MI, США).Выбор между инструментами создания сетки программного обеспечения для обработки изображений и сторонней программой создания сетки в основном зависит от требуемого типа сетки. Программное обеспечение для обработки изображений, которое мы использовали, такое как Mimics, обеспечивает ограниченный контроль над построением сетки. Если, например, нужны чистые гексаэдрические элементы, программное обеспечение для построения изображений может не выполнить построение сетки [14, 136]. Если конкретный тип сетки (например, тетраэдрическая или шестигранная) не требуется, удобнее использовать встроенные инструменты создания сетки программ обработки изображений для создания автоматической сетки.Обычно он дает треугольные / тетраэдрические элементы или комбинацию тетраэдрических и гексаэдрических элементов. Используя этот подход, информацию о сетке (узловые координаты и номера элементов) можно обычно экспортировать в программное обеспечение FE для выполнения анализа методом конечных элементов. Однако, поскольку экспортированная сетка (обычно называемая сиротской сеткой) не включает всю геометрическую информацию о реконструированном колене, любые существенные изменения сетки или регенерацию сетки можно выполнить только в программном обеспечении обработки изображений.Следовательно, если требуется структурированная сетка (сопоставленная сетка) из чистых гексаэдрических элементов, или если во время моделирования КЭ требуется несвязанная геометрия ткани (в дополнение к сетке КЭ), восстановленную геометрию следует экспортировать в программное обеспечение КЭ или в третью программа создания сетки для создания сетки. На рисунке 1 представлена ​​схема реконструкции геометрии колена и создания сетки на основе данных МРТ.


3.2. Внедрение моделей тканей

Из-за вычислительных затрат и трудностей конвергенции, связанных с 3D-моделированием, более простые конститутивные законы обычно использовались при моделировании всего сустава по сравнению с исследованиями механики отдельной ткани (см. Раздел 2).Например, модель однофазного материала широко используется для хрящей и менисков при моделировании коленного сустава [80, 81, 108–111, 113, 137]. Повышение давления жидкости не использовалось в 3D-моделировании соединений до недавнего времени [86–88, 112, 138–140]. В большинстве моделей суставов кости считались жесткими из-за их большей жесткости по сравнению с хрящевыми тканями. Суставные хрящи были обычными

.

Смотрите также