基于体内驱动的有限元模型参数优化揭示跟腱病患者的力学改变机制

本研究针对跟腱病(AT)患者肌腱力学特性改变的问题，开发了结合三维自由超声成像和有限元(FE)建模的双阶段优化流程，首次实现了患者特异性材料系数(C1 /C4 /C5 )和摩擦系数的同步估算。通过13例患者的MVIC力量和超声斑点追踪数据，建立了包含扭曲亚肌腱结构的个性化FE模型，为临床个体化治疗提供了新工具。

　　

跟腱作为人体最强大的肌腱之一，其病变机制却充满谜团。当运动员或中老年人遭遇跟腱病(Achilles tendinopathy, AT)时，不仅会经历疼痛和功能障碍，更面临着复杂的生物力学改变——包括亚肌腱滑动异常和材料特性退化。现有研究表明，健康跟腱中三头肌亚肌腱(soleus, gastrocnemius medialis/lateralis)的精妙滑动能有效分散应力，而患者则出现胶原增生、润滑素减少等病理变化，导致滑动受阻和弹性模量下降。但传统有限元(FE)模型多基于健康人群数据，既缺乏患者特异性参数，又难以模拟病理状态下的亚肌腱摩擦接触，严重制约了个体化治疗的发展。

KU Leuven的研究团队在《Journal of Biomechanics》发表的研究中，创新性地将三维自由超声(3D freehand ultrasound)与逆向FE分析相结合。通过对13例AT患者进行静息状态成像和亚最大自主等长收缩测试，采集了肌腱连接处(MTJ)位移和超声斑点追踪数据。研究团队开发的双阶段优化算法，首先基于AT伸长量优化超弹性材料系数(C₁
, C₄
, C₅
)，继而通过亚肌腱差异位移确定摩擦系数，最终构建出包含扭曲亚肌腱几何结构的个性化FE模型。

Participants characteristics
纳入的13例患者(47±14岁)通过VISA-A问卷评估病情严重程度(70±21分)，所有模型均整合了个体化MVIC力量数据。

Patient-specific material and friction coefficients
优化结果显示材料系数中位值分别为C₁
=5MPa、C₄
=5、C₅
=321MPa，30%和60% MVC下的模拟MTJ位移误差分别为1.18±0.50mm和2.13±0.93mm。特别值得注意的是，敏感性分析揭示C₅
对模型输出的影响最为显著。

Discussion
该研究首次实现了AT患者亚肌腱层间摩擦系数的体内估算，其材料系数结果与Arya等报道的AT退化肌腱数据相符。模型证实材料非线性(C₅
)主导力学响应，而摩擦系数变化显著影响应变分布。这为理解临床观察到的"应力屏蔽"现象提供了新视角——特定区域的异常应力集中可能源于滑动受阻。

这项研究的突破性在于将传统生物力学分析与临床痛点深度结合：通过超声这种无创手段获取的数据，经优化算法转化为可量化病理特征的个性化参数。这不仅为AT发病机制研究提供了新工具，更开辟了个性化康复方案制定的新途径。未来研究可进一步探索摩擦系数变化与组织学特征的关联，推动从生物力学到分子机制的跨尺度研究。