在步态过程中对一种通用距骨植入物的评估：结合肌肉骨骼系统和有限元建模的方法

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Evaluation of a universal talus implant during gait: a combined musculoskeletal and finite element modelling approach

talus植入物生物力学性能及PCU涂层优化研究 摘要：本研究采用肌肉骨骼-有限元（MSK-FE）耦合建模方法，动态评估两种通用地板关节植入物（CoCr金属表面与PCU涂层）在步态 stance期对踝关节接触面积、压力分布及误差的影响。结果表明PCU涂层植入物更接近天然解剖结构，其接触面积与压力分布的均方根误差（nRMSE）较CoCr植入物降低约40%，尤其在距骨-胫骨关节处峰值压力降低至天然状态的85%，验证了PCU涂层在改善关节应力分布中的有效性。

　　本研究聚焦于踝关节中距骨塌陷问题的解决方案，探索了一种通用型距骨假体在动态行走条件下的表现。距骨是踝关节的重要组成部分，其独特的解剖结构使其在某些病理条件下，如缺血性坏死和骨塌陷时，面临较大的临床挑战。传统治疗方法，如胫骨-距骨-跟骨融合术（踝关节固定术），虽然能够有效缓解疼痛，但通常会牺牲关节的功能性，并且伴随着较高的骨不连和再次手术发生率。相比之下，全距骨置换（TTR）在临床效果上表现出显著优势，包括更有效的疼痛控制、更高的生活质量以及更好的踝关节功能保留。然而，定制化TTR假体的制造过程复杂，成本高昂，且耗时较长，这在实际临床应用中可能造成不便，尤其是在患者解剖结构发生变化时。

为了克服这些局限性，通用型距骨假体应运而生，它在保留定制化TTR假体临床优势的同时，提供了标准化生产的可能性，使得假体可以在不同患者之间快速应用。该假体设计包含多种尺寸，以适应不同个体的解剖差异，同时在制造过程中减少对特定患者的依赖，从而提高了可及性和效率。此外，研究人员还尝试通过在假体表面添加聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）涂层，以模仿天然软骨的特性，进一步优化假体的生物力学性能。这种涂层具有良好的柔韧性和生物相容性，能够更好地适应关节表面的动态变化，从而减少局部压力集中，提升假体与周围软骨的接触效果。

本研究采用了一种结合了肌骨系统（MSK）模拟与有限元（FE）分析的综合建模方法，以评估这两种通用型距骨假体在动态行走过程中的表现。MSK模型主要用于模拟行走过程中足部的站立相（stance phase），以估算踝关节复合体的关节运动学和关节反应力（JRFs）。随后，基于MSK模拟所得的动态边界条件，进行FE分析，以评估假体与周围软骨之间的接触特性，包括接触面积和压力分布。这种方法不仅能够更真实地反映人体在动态条件下的关节行为，还为假体设计提供了科学依据，有助于提升其在临床应用中的适应性和安全性。

研究团队使用了Glasgow-Maastricht（GM）模型作为基础，这是一种高度详细且开放源代码的足部肌骨系统模型，包含了肌群和韧带结构。通过将该模型与TLEM 2.1下肢模型结合，研究人员能够准确模拟踝关节复合体的完整生物力学行为。此外，研究还基于同一患者的CT数据构建了生物足部的几何模型，确保了模型与实际解剖结构的高度一致性。通过这种方式，研究团队能够精确地还原踝关节在动态行走中的运动轨迹和受力情况，为后续FE分析提供了可靠的输入数据。

在FE建模过程中，研究人员首先对生物距骨的几何形状进行了重建，并将其导出为STL文件，用于后续的网格划分和模型构建。为了确保模型的准确性，研究团队对不同区域采用了不同的网格类型：对于关节接触面，使用了四边形壳单元（4-node）并设定为0.4毫米的网格大小，以提供更高的分辨率；而对于非接触区域，则采用了三角形壳单元（3-node）并使用较粗的网格（最大2毫米）。这种分层网格策略有助于提高计算效率，同时保持对关键接触区域的精确模拟。此外，软骨层被定义为具有超弹性特性的材料，使用了Ogden模型来更好地模拟其非线性行为，而金属假体则被建模为线弹性材料，以反映其刚性特性。

为了模拟假体与周围软骨之间的接触，研究团队采用了“表面到表面”接触算法，而不是“通用接触”方法，这样可以更精确地定义接触对并控制各个接触参数，如法向和切向行为以及惩罚刚度。这种方法特别适用于具有多个接触面的模型，能够更准确地捕捉到接触区域的压力梯度变化。同时，研究人员通过调整惩罚刚度因子（设置为15），确保了接触力与穿透深度之间的平衡，避免了由于接触力过大而导致的数值误差，同时也保证了计算效率。

在边界条件和载荷应用方面，研究团队采用了MSK模拟中获得的动态数据，包括关节运动学和JRFs，作为FE模型的输入。为了确保模拟的真实性和一致性，所有模型均基于同一患者的解剖数据进行构建，从而减少了因个体差异带来的不确定性。在FE模拟中，研究人员将距骨或假体固定在空间中，而周围骨骼则根据MSK模拟的结果在各个自由度上进行驱动。通过这种方式，FE模型能够更准确地再现踝关节在动态行走中的实际行为。

研究团队将整个模拟过程分为三个阶段，以确保模型的稳定性和准确性。在第一阶段，研究人员应用了初始载荷，并通过“平滑步”函数（smooth-step）确保载荷的连续性，同时约束其他自由度，以保持预定义的运动学变量不变。第二阶段用于稳定系统，确保在初始载荷施加后，模型能够达到一个平衡状态。第三阶段则进行了完整的动态模拟，持续时间为0.6秒，对应于站立相的完整时间。由于在某些时间点载荷的突然下降可能导致接触机制的不稳定，因此最终分析仅考虑了站立相的前83%，即在载荷达到峰值后的时间段。

在模型验证方面，研究人员首先对MSK模型的运动学输出进行了验证，确认其与之前的研究结果相符。随后，通过比较FE模型在站立相前50%期间的接触面积与之前发表的文献数据，进一步验证了模型的可靠性。此外，研究人员还验证了质量缩放（mass scaling）的合理性，确保系统的动能始终低于内部能量的5%，从而确认了模型的准静态特性。这些验证步骤为研究结果的可信度提供了重要支持。

在模拟结果方面，研究人员发现，PCU涂层假体在接触特性上更接近天然距骨的表现。在最大载荷（站立相的83%）条件下，PCU假体在所有关节中的接触压力和面积均表现出更优的分布模式。相比之下，纯钴铬（CoCr）假体在所有关节中均产生了更高的接触压力和更小的接触面积。特别是在距骨-跟骨（calcaneal）软骨区域，CoCr假体的压力峰值显著高于天然距骨，而PCU假体则有效缓解了这一问题。此外，PCU假体在距骨-胫骨（tibial）软骨区域的压力值也低于天然距骨，表明其在模拟载荷下能够更好地分散压力，减少对周围软骨的损伤。

研究还发现，PCU假体在不同关节中的接触面积变化趋势与天然距骨相似，而在距骨-腓骨（fibular）软骨区域，天然距骨的接触面积明显小于两种假体，这可能与腓骨在踝关节中的功能和载荷传递路径有关。在站立相的早期阶段（前25%），腓骨在天然距骨模型中的作用相对较小，而在假体模型中，其接触面积有所增加，这可能表明在替换距骨后，腓骨承担了更多的载荷。这一现象在一定程度上反映了通用型假体在载荷传递路径上的调整，可能对踝关节的整体生物力学行为产生影响。

为了量化假体与天然距骨之间的差异，研究人员计算了归一化均方根误差（nRMSE），作为平均偏差的指标。结果表明，PCU假体在所有评估指标和骨骼上均表现出显著更低的偏差，特别是在接触面积和接触压力方面。然而，在腓骨接触面积方面，CoCr假体的表现略优于PCU假体，这可能与腓骨在天然踝关节中的载荷分布特性有关。总体而言，PCU涂层假体在改善接触力学方面显示出明显的优势，特别是在中后期站立相，其接触面积增加、压力降低的趋势与天然距骨的生物力学行为更为一致。

研究的局限性也值得重视。由于模型的材料和网格属性是基于先前研究的，因此不可避免地继承了一些假设和简化。例如，模型中假设所有关节接触面的软骨厚度相同，尽管这种假设在文献中较为常见，但可能会影响局部接触压力的预测。此外，模型中未包含软组织，如韧带和肌肉，但这些结构的机械效应已经被MSK模型所捕捉，并通过JRFs和运动学数据间接体现。因此，尽管FE模型在某些方面存在简化，但其整体表现仍然能够为假体设计提供有价值的参考。

本研究的结论表明，PCU涂层假体在动态行走条件下表现出更优越的生物力学性能，特别是在接触面积和压力分布方面。这种假体能够更有效地模拟天然距骨的行为，减少对周围软骨的损伤，从而提高患者的长期使用体验。此外，研究还强调了通用型假体拓扑结构的重要性，尽管其在某些关节中仍存在一定的偏差，但结合PCU涂层后，能够显著改善其性能。这些发现不仅有助于理解天然踝关节在动态条件下的行为，也为未来假体设计提供了重要的科学依据。研究团队认为，这些结果可以为改进通用型距骨假体的设计和优化其在临床应用中的表现提供有价值的指导。