基于OpenSim肌骨建模估算胫股关节接触力

摘要

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。

关键词

胫股关节 / 内侧、外侧接触力 / OpenSim / 肌肉骨骼模型 / 行走步态

基金资助

国家自然科学基金项目(81774347);国家自然科学基金青年科学基金项目(82305357); 中国康复医学会2022年度科技发展项目(KFKT-2022-014); 福建省自然科学基金项目(2023J01153)