概述

　　人類曾經(jīng)探索過太空、大洋深處，并能回溯過去數(shù)百萬年的歷史。但是，在對人體及其工作方式的認(rèn)知方面，仍然存在著驚人的大量空白。例如，膝關(guān)節(jié)處于足底到骨盆的動力學(xué)鏈的中心點。但脛骨與股骨之間的連接所形成的幾何約束卻微乎其微。需經(jīng)由大量軟組織結(jié)構(gòu)的運作來實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

　　這些結(jié)構(gòu)的詳細(xì)工作方式在很大程度上仍是未知的。MSC的Adams是一種多體動力學(xué)仿真解決方案，可提供正確的深入分析，有助于更加透徹地了解膝關(guān)節(jié)的內(nèi)部運作。

　　背景

　　典型的例子就是半月板的作用。半月板為其承坐的股骨形成杯狀結(jié)構(gòu)，從而幫助穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。此外，半月板還可以起到吸收沖擊的作用，緩沖來自股骨的壓縮力并傳播到更大范圍的脛骨上。但我們對于半月板的許多方面仍然一無所知。而這些方面正是MSC 的 Adams大顯身手之處。

　　不久之前，外科醫(yī)生還經(jīng)常會摘除受損的半月板，但如今這一做法已經(jīng)非常少見，這是因為我們知道半月板在維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面有著極其重要的作用。而半月板對于我們而言仍有很多未解之謎。例如，當(dāng)那些將半月板包裹至脛骨的韌帶松弛時會出現(xiàn)什么情況?容易誘發(fā)這種情況的起因是受傷還是年齡?更深入地了解膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)能帶來廣泛的潛在效益，例如預(yù)防受傷、改進(jìn)治療方法。

　　密蘇里大學(xué) Mizzou 運動分析中心(MAC)的研究人員認(rèn)為，加深對半月板的了解有可能需要對傳統(tǒng)分析法進(jìn)行提升。他們需要一種多體動力學(xué)仿真工具，這種仿真應(yīng)能重現(xiàn)由肌肉驅(qū)動的荷載和運動，并且擁有對所有的膝關(guān)節(jié)連接組織進(jìn)行建模時所需的計算能力。他們選定的軟件工具就是Adams。

　　解決方案及其驗證

　　MAC研究人員采用Adams多體動力學(xué)軟件來開發(fā)全面、逼真的膝關(guān)節(jié)仿真。他們首先為受試者配裝標(biāo)示器。他們利用一個運動捕獲系統(tǒng)來記錄受試者在實驗室內(nèi)行走、活動時這些標(biāo)識器的移動。通過核磁共振成像(MRI)技術(shù)捕捉骨骼、軟骨、半月板及韌帶的圖像。利用測力板來測量地面接觸力、利用EMG(肌電圖)來測量肌肉活動。

　　然后用采集到的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建每個受試者的各個內(nèi)部肌骨胳系統(tǒng)的Adams模型。每個模型由21個剛體節(jié)段、53個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及43塊腿部肌肉組成。定義每個標(biāo)示器位置的運動約束，并在約束與相應(yīng)的體節(jié)之間放置一個三軸彈簧。這樣就能實現(xiàn)剛體骨骼相對于運動約束的移動。將核磁共振成像衍生出的皮膚幾何體分為五個剛性體，藉此對足底與地面的接觸進(jìn)行建模。然后定義上述剛體與地面的接觸為剛?cè)峤佑|。

　　采集這些實驗性運動數(shù)據(jù)能夠為模型運動時提供約束下的步態(tài)動力學(xué)輸入。模型受到關(guān)節(jié)、膝蓋處的接觸和韌帶力以及地面接觸力的約束。為確定運動期間的肌力和膝蓋荷載進(jìn)行了一次向前步行的動力學(xué)仿真，預(yù)測了膝蓋組成部分之間的接觸力，例如脛骨與半月板之間、脛骨與股骨之間的接觸力，以及作用在膝蓋韌帶上的作用力，例如前十字韌帶(ACL)。

　　在步行動力學(xué)仿真中，Adams與Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)整合的能力對建立準(zhǔn)確的膝關(guān)節(jié)仿真起到了關(guān)鍵作用。通過在Adams和Simulink的聯(lián)合仿真，研究人員能夠在仿真過程中獲得至關(guān)重要的關(guān)鍵性真知灼見。

　　結(jié)束語

　　半月板的生物力學(xué)機能隨半月板附著帶長度的增加而下降。

　　借助于Adams，MAC研究人員得以逐步掌握膝關(guān)節(jié)半月板機能的復(fù)雜性。他們發(fā)現(xiàn)，韌帶長度增加到20%左右時，幾乎可以讓行走中經(jīng)由半月板所傳送的力完全喪失。如果半月板所吸收的作用力減小，脛骨與股骨之間直接傳送的作用力就會增大，這有可能會加劇關(guān)節(jié)損傷和疼痛。上述結(jié)果使研究人員和醫(yī)生不僅能做到有的放矢，還能比以前更加有效地防止未來的疼痛及損傷。

　　密蘇里大學(xué)理療與整形外科副教授Trent Guess指出：“多體動力學(xué)為我們加深對膝關(guān)節(jié)機能的了解提供了極大的幫助。展望未來，這項技術(shù)有可能在診斷膝關(guān)節(jié)疾病、改進(jìn)外科手術(shù)方面取得重大進(jìn)展，還會讓我們在其他方面受益匪淺。”

　　關(guān)于密蘇里大學(xué)

　　密蘇里大學(xué)成立于1839年，是美國密蘇里州規(guī)模大的大學(xué)，目前在校生超過35,000人。Mizzou運動分析中心從屬于理療系，該中心集生物力學(xué)工程、整形外科及理療方面的研究于一身，旨在改進(jìn)對人體運動的測量與維護(hù)。

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