基于OpenSim肌骨建模估算胫股关节接触力

• Published in: 康复学报 Vol. 35; no. 1; pp. 59 - 68
• Main Authors: 王晓玲, 简家伟, 谢秋蓉, 连章汇, 郭春明, 郭洁梅, 李玉榕
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 福建中医药大学康复医学院,福建 福州 350122%福州大学福建省医疗器械和医药技术重点实验室,福建 福州 350108%吉林大学白求恩第二医院,吉林 长春 130041%福建中医药大学中医学院,福建 福州 350122 2025
• Subjects: OpenSim; medial and lateral tibiofemoral force; 胫股关节; 内侧、外侧接触力; 行走步态; tibiofemoral joint; 肌肉骨骼模型; walking gait; musculoskeletal model
• ISSN: 2096-0328
• DOI: 10.3724/SP.J.1329.2025.01015

目的 基于OpenSim软件开发建立1个包含双接触点、3个自由度膝关节的个性化肌肉骨骼模型,估测膝关节负荷,为临床膝骨关节炎(KOA)患者的精准化诊断及个体化康复方案的制订提供可靠依据.方法 利用由斯坦福大学授权公开、加州拉霍亚市Scripps诊所希利矫形研究与教育中心发布的"膝关节体内负荷预测挑战赛"公开数据集,纳入4例接受全膝关节置换术(TKA)并植入压力检测仪器的受试者,以OpenSim模型库中的通用模型gait2392为基础升级搭建,新模型包含28个关节和43个自由度,并调整膝关节结构,使其具有屈曲-伸展、内收-外展、内旋-外旋3个方向自由度,增添了单臂4个关节、7个自由度能够扭矩驱动的上肢结构,并将股骨与胫骨间由单接触点调整为双接触点.通过模型缩放、逆向运动学分析、逆向动力学分析、残差缩减处理、肌肉控制和肌肉分析等,综合考虑步态中外部力和体内肌力的贡献,计算胫股关节内侧、外侧接触力.采用Matlab 2018b进行统计学分析,计算模型估计结果与植入假体测量结果的Pearson相关系数、均方根误差以及标准差,验证本研究建立的肌骨模型的有效性.结果 4名受试者共获得21次完整步态试验数据,受试者JW、DM、PS、SC步态周期平均时长分别为(1.18±0.03)、(1.18±0.08)、(1.09±0.02)、(1.14±0.04)s;内侧、外侧、总接触力估计值与测量值的相关系数平均值分别为(0.921±0.079)、(0.817±0.084)、(0.930±0.066),均方根误差的平均值分别为(0.336±0.146)、(0.332±0.043)、(0.442±0.160)BW;内侧、外侧接触力峰值的估计值与测量值均方根误差的平均值分别为(0.43±0.25)、(0.34±0.24)BW,峰值出现时间误差的平均值分别为(44.09±34.66)、(67.52±61.19)ms.结论 利用所建立的双接触点、3个自由度的膝关节全身OpenSim肌肉骨骼模型能够生成肌肉驱动的步态模拟,得到可靠的胫股关节接触力,为精准监测胫股关节负荷、临床康复方案的制订和持续改进假体设计等提供重要依据.