个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的适用性评估

李宏伟,刘 峰

(中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)

作者简介：李宏伟（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为人工关节设计及生物力学仿真，s1802015@st.nuc.edu.cn.

通讯作者：刘峰，男，教授，fengliu@nuc.edu.cn.

摘要：为实现个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的广泛临床应用，在AnyBody生物力学建模软件中对近四届膝关节挑战赛公开数据集中的4位膝关节置换患者建立了个体化全膝关节置换骨肌模型，对每位患者的下蹲和坐立运动进行模拟仿真，通过对比模型预测结果与实验测量数据之间的差异，评估所建模型对膝关节假体接触力的预测精度以及模型在不同患者下蹲和坐立运动形式中的适用性。结果表明，与实验测量数据相比，所建骨肌模型预测的胫股关节假体接触力的均方根误差和相关系数的范围分别为67~336 N和0.55~0.98，模型在不同患者的下蹲和坐立运动形式中均表现出较高的预测精度和良好的适用性。

关键词：全膝关节置换；个体化；骨肌模型；接触力；适用性

中图分类号：R318.01     文献标识码：A     文章编号：2095-509X(2021)05-0006-05

全膝关节置换术被认为是治疗终末期骨性膝关节炎的有效手段。近年来，我国膝关节置换患者群体急剧增加，并呈现出年轻化趋势^［1］。研究膝关节假体磨损性能和设计具有更长使用寿命的膝关节假体成为目前主要的研究趋势。研究表明，准确获取膝关节假体体内力学信息对于评估膝关节假体磨损寿命、改善膝关节假体设计和提高假体摩擦学性能具有重要意义^［2］。

基于膝关节挑战赛公开数据集^［3］，众多学者致力于开发个体化骨肌模型，用于预测膝关节假体体内力学信息，但是个体化骨肌模型的建立通常需要复杂的建模流程以及专业的算法和医学知识，并不利于实现广泛临床应用。AnyBody生物力学建模软件提供了具有完整人体肌肉配置的通用模型，并允许用户进行个性化设置，具有可观的临床应用潜能。Marra等^［4］在AnyBody中应用Andersen等^［5］提出的依赖于力的运动学（force-dependent kinematics，FDK）建模方法初步建立了个体化全膝关节置换骨肌模型建模框架，Chen等^［6-7］对Marra等^［4］提出的建模框架进行了正常步态和右转步态下的验证，初步展示了该建模框架的准确性。但是，目前尚不清楚该建模框架是否具有广泛适用性，特别是对于下蹲和坐立这两种日常运动形式。因此，为实现个体化骨肌模型的广泛临床应用，对其进行多种运动形式下的适用性研究是十分有必要的。

基于以上目的，本文在AnyBody生物力学建模软件中对4位膝关节置换患者建立了个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型，分别对下蹲和坐立运动进行模拟仿真，通过与实验测量数据对比来评估所建骨肌模型的准确性和适用性。

1 材料与方法

1.1 患者实验数据

选取来自近四届膝关节挑战赛公开数据集中的4位膝关节置换患者为研究对象^［3］，评估个体化骨肌模型在下蹲（站立—下蹲—站立）和坐立（坐姿—站立—坐姿）两种运动形式中的适用性，其中每位患者进行3次下蹲运动和1次坐立运动。所研究的4位患者信息见表1，其涵盖了不同性别、不同侧膝关节以及不同假体类型，具有一定的代表性。此外，公开数据集还提供了每位患者的术前和术后下肢CT（computed tomography）图像、膝关节假体几何模型，以及下蹲和坐立运动过程中的运动学捕捉数据、通过测力板测得的地面反作用力以及通过内置电子化膝关节假体所测量的胫股关节接触力数据。