A Dynamic Analysis of Human Knee Joint Stress During Squatting and Walking Using Finite Element Method

Abstract

This paper aims to analyze the stress on the human knee joint during squatting and walking by integrating a hardware detection platform with a dynamic model to apply actual biological forces to a reconstructed three-dimensional knee joint model through finite element analysis. The human lower limb system is simplified into a rigid link model by examining the structure of the tibiofemoral and patellofemoral joints. Using the Lagrange dynamic equation, a dynamic model of the human knee joint is established, and mathematical expressions for the forces at the patellofemoral joint, tibiofemoral joint, and the quadriceps femoris muscle are derived. A 3D human body model is utilized for scanning and reconstructing the knee joint in three dimensions. During the squatting process, the maximum equivalent stress values observed are 41.21MPa for the patella and 9.04 MPa for the tibia, with displacement values of 0.021mm and 0.011mm, respectively. In uniform walking, the maximum equivalent stress values for the patellar and tibial platforms are 56.45MPa and 11.84MPa, respectively, with displacements of 0.012mm and 0.015mm. The knee joint stress results obtained are compared with those in the medical literature to validate the authenticity and effectiveness of the method.

본 연구의 목적은 하드웨어 탐지 플랫폼과 동적 모델을 통합하여 얻은 실제 생물학적 힘을 유한 요소 분석을 통해 재구성된 무릎관절의 3차원 모델에 적용함으로써, 실제 인간 상태에서 걷기와 스쿼트 중 발생하는 내부 스트레스를 계산하는 것이다. 이를 위해, 무릎 관절의 구조적 특성, 특히 경골과 슬개골 관절을 분석하여 인간 하지 시스템을 강체 연결 모델로 단순화하였다. 라그랑주 동역학 방정식을 활용하여 인간 무릎 관절의 동적 모델을 구축하고, 이를 통해 슬개골, 경골 및 대퇴사두근 근육의 힘에 대한수학적 표현을 도출하였다. 3D 인체 모델을 사용하여 인간 무릎 관절을 스캔하고 3차원으로 재구성하였으며, 스쿼트와 걷기 동작을 시뮬레이션하는 과정에서 관절의 스트레스 수준을 측정하였다. 스쿼트 과정 중 슬개골과 경골의 최대 등가 스트레스 값은 각각 41.21MPa, 9.04MPa이었고, 해당 변위 값은 0.021mm, 0.011mm로 나타났다. 또한, 인체의 균일한 걷기 과정에서 슬개골과 경골플랫폼의 최대 등가 스트레스 값은 각각 56.45Mpa, 11.84Mpa이며, 변위량은 0.012mm, 0.015mm로 관찰되었다. 본 연구의 결과는의학 문헌에 제시된 데이터와 비교 분석함으로써 그 진정성과 방법의 효과성을 검증하였다. 이러한 비교는 본 연구가 제안한 방법이 인간 무릎 관절에 가해지는 부하를 정확하게 예측하고 이해하는 데 유효함을 보여준다.