综述：脊柱生物力学中的肌肉骨骼建模方法：多体、有限元和耦合模型的批判性回顾

《Annals of Biomedical Engineering》：Advances in Musculoskeletal Modeling of the Thoraco-Lumbar Spine: A Comprehensive Systematic Review

这篇综述系统回顾了脊柱生物力学研究中肌肉骨骼（MSK）建模的三大方法：多体（MB）、有限元（FE）和耦合（C）模型，重点探讨了其在静态/动态姿势维持、肌肉募集（muscle recruitment）和椎间盘压力（IDP）预测中的应用。通过分析44篇原创模型文献，揭示了模型个性化（subject-specific）、验证（V&V）和开放性科学（Open Science）等前沿趋势，为脊柱疾病（如腰痛LBP）的生物力学机制研究提供了计算框架参考。

　　

脊柱生物力学与肌肉骨骼建模的革新之路

引言

脊柱作为人体力学中枢，其生物力学特性深刻影响着姿势维持和运动功能。理解肌肉力量与重力平衡机制（muscular-gravitational equilibrium）对评估生理和病理状态下的脊柱功能至关重要。近年来，计算肌肉骨骼（MSK）模型作为非侵入性研究工具，正在革新传统体内外实验方法的局限。

建模方法的三重奏

多体（MB）模型通过简化椎体为刚体、椎间关节为固定旋转中心的低自由度（DoFs）结构，擅长研究复杂任务中的肌肉募集过程。典型如Ignasiak模型将胸腰椎简化为铰接系统，通过454条肌束模拟动态载荷：

有限元（FE）模型则聚焦组织级力学响应，采用超弹性Mooney-Rivlin材料模拟椎间盘各向异性特性。Rajee等开发的FE模型通过56条刚度基肌束，首次实现了肌肉力与椎间盘纤维环/髓核应力分布的耦合分析。

耦合（C）模型作为新兴范式，通过协同仿真（CS）或混合仿真（HS）整合MB与FE优势。Remus开发的HS模型创新性地在ArtiSynth平台实现动态耦合，通过258条Hill型肌束预测了腰椎节段载荷。

关键建模挑战

被动结构建模中，韧带和关节突（FJs）的简化普遍存在。仅38%的MB模型包含韧带1D单元，而FE模型中仅30%实现关节突接触交互。腹内压（IAP）的卸载效应虽经实验证实，但仅13个模型予以考虑。

肌肉架构建模呈现"腰详胸略"特点：腰椎肌群（如多裂肌、竖脊肌）普遍包含25±7条肌束，而胸椎肌群（如棘横肌）仅8±3条。Bayoglu的敏感性分析揭示：腰方肌附着点5mm偏移可导致剪切力预测偏差达18%。

验证与个性化困境

模型验证严重依赖Wilke的椎间盘压力（IDP）体内数据（被22项研究引用），但EMG信号仅能提供表层肌肉激活参考。个性化方面，仅28%模型实现特定对象建模，且存在显著性别偏差——仅4个模型针对女性脊柱。

未来发展方向

• 复杂任务拓展：当前78%模型仅分析站立/30°屈曲，亟需纳入旋转-屈曲复合动作

• 多尺度建模：结合氧扩散等细胞级参数构建全 torso 连续体模型

• 开源生态：SimTK等平台已收录12个可复现模型，推动Open Science实践

这项技术演进正在重塑脊柱疾病研究范式。正如Bruno模型所示，通过248条Hill型肌束和详细肋笼建模，成功预测了椎体载荷与肌电活动的相关性（R²=0.82），为临床腰痛机制研究提供了新视角。