基于协同的多体运动学优化模型用于足踝骨水平运动学重建的研究

《Scientific Reports》：A novel, synergy-based kinematic model of the foot and ankle for gait analysis

　　

摘要

在肌肉骨骼建模中研究足部生物力学具有挑战性。多节段足部模型是文献中最常见的方法，它将足部简化为几个刚性节段的链条，忽略了许多骨与骨之间的运动，通常需要多个标记点来追踪各个节段。本研究旨在开发和表征一种基于协同的多体运动学优化（SB-MKO）模型，该模型允许使用最少数量的自由度和标记点重建所有骨骼的运动学。通过主成分分析从负重CT扫描中识别的实验中获得的骨骼间运动耦合关系，或运动协同，开发了一种新型运动学模型。该模型使用5个自由度描述足-踝复合体（踝关节1个，足部3个，趾部运动1个）。通过与基于CT的体外骨骼运动学进行比较，量化了这种建模策略的内在基线准确性，并通过减少皮肤标记点的数量评估了其稳健性。该模型还在健康足、扁平足和糖尿病足的临床步态数据上进行了初步测试，并与标准多节段足部模型进行了比较。在体外测试中，SB-MKO在旋转和翻译方面的平均误差分别低于7°和4 mm，达到或优于现有模型的准确性。仅使用4个足部标记点也获得了类似的结果。在临床步态分析中，该模型显示出更好的人群区分能力，并能够评估横向弓变形，这是传统模型无法实现的。所提出的SB-MKO为重建骨水平足和踝运动学提供了可靠、低复杂度的框架，大大简化了步态分析，并显示出强大的临床应用潜力。