Three-dimensional (3D) modeling and simulation have important applications in orthopedic surgery. This technology can be used to create a 3D model of anatomic structures that can be used as a template to perform surgical simulations preoperatively. This study was aimed to apply 3D modeling to simulate flexion of a human knee based on the normal knee joint motion that includes tibial internal rotation and femoral rollback under high degree knee flexion. A 3D knee joint model was constructed from a two-dimensional computed tomography image of a normal knee joint. Based on the reconstructed 3D model of the knee joint, simulation of knee joint flexion at 90,100,110,120,130, and 140 degrees was conducted while replicating the normal knee joint motion. The rotation, translation, and tilt wizards allow the simulation of a complex motion that happens at the human knee joint. Simulation of knee joint motion allows replication of the complex motion during a gait cycle and can offer an alternative option to in vivo experiments to simulate surgical techniques, analyse knee implants and conduct biomechanical studies. This study has demonstrated that 3D modeling and simulation technology is an important tool to study the relationship between the degree of knee flexion and femoral tunnel orientation in anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction. Accordingly, the joint flexion angle, and the sagittal and axial drill angles should be taken into consideration in ACL reconstruction.

中文翻译：

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正常膝关节运动的三维建模与仿真

三维 (3D) 建模和仿真在骨科手术中具有重要应用。该技术可用于创建解剖结构的 3D 模型，该模型可用作术前进行手术模拟的模板。本研究旨在应用 3D 建模来模拟基于正常膝关节运动的人膝关节屈曲，包括高度膝关节屈曲下的胫骨内旋和股骨回滚。3D 膝关节模型是根据正常膝关节的二维计算机断层扫描图像构建的。基于重建的膝关节3D模型，模拟膝关节屈曲90、100、110、120、130、140度，同时再现正常的膝关节运动。旋转，平移，和倾斜向导允许模拟发生在人体膝关节的复杂运动。膝关节运动的模拟允许在步态周期中复制复杂的运动，并且可以提供体内实验的替代选择，以模拟手术技术、分析膝关节植入物和进行生物力学研究。本研究表明，3D 建模和仿真技术是研究前交叉韧带 (ACL) 重建中膝关节屈曲度与股骨隧道方向之间关系的重要工具。因此，在 ACL 重建中应考虑关节屈曲角度以及矢状和轴向钻孔角度。膝关节运动的模拟允许在步态周期中复制复杂的运动，并且可以提供体内实验的替代选择，以模拟手术技术、分析膝关节植入物和进行生物力学研究。本研究表明，3D 建模和仿真技术是研究前交叉韧带 (ACL) 重建中膝关节屈曲度与股骨隧道方向之间关系的重要工具。因此，在 ACL 重建中应考虑关节屈曲角度以及矢状和轴向钻孔角度。膝关节运动的模拟允许在步态周期中复制复杂的运动，并且可以提供体内实验的替代选择，以模拟手术技术、分析膝关节植入物和进行生物力学研究。本研究表明，3D 建模和仿真技术是研究前交叉韧带 (ACL) 重建中膝关节屈曲度与股骨隧道方向之间关系的重要工具。因此，在 ACL 重建中应考虑关节屈曲角度以及矢状和轴向钻孔角度。本研究表明，3D 建模和仿真技术是研究前交叉韧带 (ACL) 重建中膝关节屈曲度与股骨隧道方向之间关系的重要工具。因此，在 ACL 重建中应考虑关节屈曲角度以及矢状和轴向钻孔角度。本研究表明，3D 建模和仿真技术是研究前交叉韧带 (ACL) 重建中膝关节屈曲度与股骨隧道方向之间关系的重要工具。因此，在 ACL 重建中应考虑关节屈曲角度以及矢状和轴向钻孔角度。