基于OpenSim肌骨建模的膝关节置换术后胫股关节接触力估计

作     者：王晓玲 简家伟 谢秋蓉 连章汇 郭春明 郭洁梅 李玉榕 

作者机构：福州大学福建省医疗器械和医药技术重点实验室 福建中医药大学中医学院 福建中医药大学康复医学院 吉林大学第二医院疼痛科 

出 版 物：《康复学报》 (Rehabilitation Medicine)

年 卷 期：2024年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目(81774347) 中国康复医学会(KFKT-2022-014) 福建省科技厅项目(2020J01752) 福建省教育厅项目(FBJG20200034) 

主　　题：胫股关节 内/外侧接触力 OpenSim 肌肉骨骼模型 行走步态 

摘      要：目的：基于OpenSim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，为临床膝骨关节炎患者的精准化诊断及个体化康复方案的制定提供可靠依据。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，将股骨与胫骨间由单接触点调整为双接触点，并调整膝关节结构，使其具有3个方向自由度，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/外侧接触力。采用MATLAB 2018b进行统计学分析，通过模型估计结果与植入假体测量结果对比，验证本研究建立的肌骨模型的有效性。结果：内侧、外侧、总接触力估计值与测量值的平均相关性分别为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 BW、0.332±0.146 BW、0.442±0.160 BW；内/外侧接触力峰值的估计值与测量值均方根误差分别为0.43±0.25 BW、0.34±0.24 BW，峰值出现时刻误差分别为44.09±34.66 ms、67.52±61.19 ms。和植入式传感器测量值相比，基于OpenSim肌骨建模的胫股关节接触力估计方法能准确预测受试者步行的膝关节内/外和总接触力（平均相关系数0.89，均方根误差0.35 BW，峰值均方根误差0.39 BW，峰值出现时刻误差39.31 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、临床康复方案制定和持续改进假体设计等提供重要依据。