一种改进的头部-颈部肌肉骨骼模型，该模型结合了通过动态放射成像技术在体内测量的颈椎节律数据

《Annals of Biomedical Engineering》：An Improved Head–Neck Musculoskeletal Model Incorporating Cervical Spine Rhythms Measured by Dynamic Radiography In Vivo

本研究基于动态立体放射学（DSX）和表面运动捕捉数据，开发了新型头颈模型，优化了颈椎节段间运动协调关系，C1-C2关节RMSE误差从17.3°降至2.1°，整体误差降低至2.2°。

　　

摘要

目的

头部和颈部的肌肉骨骼模型一直利用运动学关系作为约束条件，以有效解决在指定颈椎关节运动时的冗余问题。然而，这些运动学关系的准确性值得怀疑，因为从体外尸体研究中获得的数据尚未经过与体内颈椎运动学的对比验证。在这项工作中，我们引入了一个新的头部-颈部模型，该模型采用了一套更新后的关系参数，这些参数是根据体内动态立体X光（DSX）测量结果得出的，用于描述颈椎的节律特征。

方法

研究使用了14名受试者进行颈部全范围屈伸运动的数据，这些数据通过DSX和基于表面的运动捕捉系统进行测量，用于模型的开发和评估。对于每位受试者，我们使用OpenSim构建了一个新模型，该模型由表面标记的运动数据驱动，但其节律关系基于DSX数据；同时，我们还使用OpenSim中的最新方法（HYOID模型）作为基准模型进行了对比。

结果

颈椎的节律特征表现为C6和C7以及每个上位椎间关节（C1–C2至C5–C6）之间的屈伸旋转关系，这些关系因椎段和位置的不同而有所差异。新模型与最新的OpenSim头部-颈部模型相比表现更为优秀：总体而言，相对于DSX测量结果的均方根误差（RMSE）从5.1°降低到了2.2°，尤其是在C1–C2关节处，误差显著减小（从17.3°降至2.1°）。

结论

本研究提供了对颈椎节律性、协调运动的更清晰和定量的理解，并为OpenSim及其他建模应用提供了一个改进的头部-颈部肌肉骨骼模型。