概述

人類曾經探索過太空、大洋深處，并能回溯過去數百萬年的歷史。但是，在對人體及其工作方式的認知方面，仍然存在著驚人的大量空白。例如，膝關節處于足底到骨盆的動力學鏈的中心點。但脛骨與股骨之間的連接所形成的幾何約束卻微乎其微。需經由大量軟組織結構的運作來實現膝關節的穩定性。

 

這些結構的詳細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節的內部運作。

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構，從而幫助穩定膝關節。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，外科醫生還經常會摘除受損的半月板，但如今這一做法已經非常少見，這是因為我們知道半月板在維持膝關節穩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，當那些將半月板包裹至脛骨的韌帶松弛時會出現什么情況？容易誘發這種情況的起因是受傷還是年齡？更深入地了解膝關節的生物力學能帶來廣泛的潛在效益，例如預防受傷、改進治療方法。

 

密蘇里大學 Mizzou 運動分析中心（MAC）的研究人員認為，加深對半月板的了解有可能需要對傳統分析法進行提升。他們需要一種多體動力學仿真工具，這種仿真應能重現由肌肉驅動的荷載和運動，并且擁有對所有的膝關節連接組織進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 多體動力學軟件來開發最全面、最逼真的膝關節仿真。他們首先為受試者配裝標示器。他們利用一個運動捕獲系統來記錄受試者在實驗室內行走、活動時這些標識器的移動。通過核磁共振成像（MRI）技術捕捉骨骼、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。

 

然后用采集到的數據來創建每個受試者的各個內部肌骨胳系統的 Adams模型。每個模型由 21 個剛體節段、 53 個旋轉關節以及 43 塊腿部肌肉組成。定義每個標示器位置的運動約束，并在約束與相應的體節之間放置一個三軸彈簧。這樣就能實現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行建模。然后定義上述剛體與地面的接觸為剛柔接觸。

采集這些實驗性運動數據能夠為模型運動時提供約束下的步態動力學輸入。模型受到關節、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行了一次向前步行的動力學仿真，預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）。

在步行動力學仿真中，Adams 與 Simulink 進行數據整合的能力對建立準確的膝關節仿真起到了關鍵作用。通過在 Adams 和 Simulink 的聯合仿真，研究人員能夠在仿真過程中獲得至關重要的關鍵性真知灼見。

 

結束語

半月板的生物力學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節半月板機能的復雜性。他們發現，韌帶長度增加到 20% 左右時，幾乎可以讓行走中經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，這有可能會加劇關節損傷和疼痛。上述結果使研究人員和醫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。

 

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

 

關于密蘇里大學

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