《Clinical Biomechanics》：Posterior cruciate ligament biomechanics in pediatric finite element knee models: Validation against cadaveric posterior tibial translation and coupled rotational loading
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目的：后交叉韧带（PCL）是膝关节的主要稳定结构，也是胫骨后移的主要被动约束。尽管PCL具有重要的生物力学意义，但与前交叉韧带（ACL）相比，儿童和青少年PCL损伤的研究仍相对不足。有限元（FE）建模为在受控加载条件下研究膝关节生物力学提供了强大框架，然而现有
目的：后交叉韧带（PCL）是膝关节的主要稳定结构，也是胫骨后移的主要被动约束。尽管PCL具有重要的生物力学意义，但与前交叉韧带（ACL）相比，儿童和青少年PCL损伤的研究仍相对不足。有限元（FE）建模为在受控加载条件下研究膝关节生物力学提供了强大框架，然而现有研究主要集中在成人膝关节、移植物配置或术后稳定性方面，针对儿童原生PCL生物力学的探索较为匮乏。本研究旨在开发标本特异性的儿童膝关节FE模型，利用既往儿童FE方法学中的加载范式研究PCL生物力学，并将模型行为与文献报道的尸体完整膝关节数据进行对比评估。方法：研究利用22例儿童胫股关节CT图像（年龄9-18岁；女性6例，男性16例）构建标本特异性FE模型。骨骼几何结构通过3D Slicer软件进行分割，韧带基于Open Knee框架缩放至各标本解剖结构。材料属性参照Open Knee指南定义，其中软骨定义为近不可压缩Neo-Hookean材料，主要韧带定义为不可压缩横向各向同性Mooney-Rivlin材料。模拟两种加载条件：①膝关节屈曲30°时施加134 N后向胫骨载荷；②膝关节0°屈曲时同时施加100 N后向胫骨载荷与5 Nm外旋扭矩。结果：在134 N孤立后向胫骨载荷下，模型预测的平均胫骨后移为9.4±1.4 mm，与尸体基准值10.8±3.7 mm无显著差异（p=0.14）。在耦合加载条件下，模型预测平均胫骨后移为6.9±0.6 mm，与尸体基准值6.5±3.1 mm亦无显著差异（p=0.55）。结论：儿童膝关节FE模型能够复现尸体实验中完整膝关节的后向胫骨移位幅度，且与实验基准值无显著差异。这些发现支持将该框架作为非侵入性、受控环境下研究儿童PCL生物力学的经外部基准测试的平台，为未来儿童PCL损伤机制、重建策略及治疗优化的研究奠定基础。
儿童后交叉韧带生物力学有限元模型的建立与验证：研究解读
一、研究背景与问题提出
后交叉韧带（posterior cruciate ligament, PCL）是膝关节的主要稳定结构，也是胫骨后移的主要被动约束。在完整关节中，PCL还参与抵抗旋转和冠状面扰动，因此PCL功能丧失不仅导致孤立的后向松弛，还会改变正常的胫股关节力学特性。异常的向后不稳定可改变关节负荷和接触行为，因此加深对原生PCL生物力学的理解对于损伤评估、治疗方案制定和重建策略开发具有重要意义。
然而，与广泛研究的前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）相比，儿童和青少年PCL损伤的研究明显不足。临床系列研究表明，骨骺未成熟患者的这类损伤较为罕见，现有证据基础相对于成人文献较为薄弱。这一局限性影响深远，因为生长中膝关节的PCL损伤后果可能远超初始的松弛阶段。一项关于手术治疗的儿童PCL损伤的系统综述显示，最终评估时21%的患者出现骨关节炎，平均随访时间为51个月，这提示退行性变可能在早期就已开始并影响未来的活动能力。更广泛的PCL预后文献也表明，PCL缺损膝关节与更高的症状性关节炎和全膝关节置换长期风险相关，而年轻运动员的影像学研究即使在功能良好的PCL缺损膝关节中也发现了亚临床软骨退变。由于已确诊的膝关节骨关节炎在儿童和青少年患者中尤为棘手（治疗选择有限且影响可能累积数十年），因此针对年龄特异的原生PCL生物力学研究具有重要临床意义。
有限元（finite element, FE）建模为在难以直接体内复制或测量的受控加载条件下研究膝关节生物力学提供了强大框架。连续介质韧带建模长期以来被认为对于捕捉组织水平力学至关重要。在PCL文献中，FE研究已被用于探讨PCL膝关节生物力学，但这些研究主要集中于成人膝关节、移植物配置或术后稳定性，儿童原生PCL生物力学相对未被探索。近年来，标本特异性膝关节建模的进展提高了儿童FE分析的可行性。开源建模框架如Open Knee加速了解剖细节丰富的胫股关节模型的发展，当代儿童FE研究已证明受试者特异性模型可以再现年轻人群的关节松弛度和运动学。然而，目前的儿童建模工作主要集中在ACL生物力学或广义关节运动学方面，尚缺乏经过验证的针对儿童PCL生物力学的标本特异性框架。
对于旨在为临床生物力学提供信息的计算模型，实验基准测试至关重要。尸体机器人研究尤其有价值，因为它们提供了严格控制的加载条件和高分辨率的关节响应测量。Kennedy等人报告了完整膝关节在134 N后向胫骨载荷下以及100 N后向胫骨载荷联合5 Nm外旋扭矩下的PCL运动学，从而为PCL主导的松弛行为提供了实验依据。此类基准在儿童建模中尤为重要，因为直接实验验证固有地受到限制，模型的可信度取决于能否证明模拟能够重现临床上重要载荷条件下的既定关节响应。
因此，本研究的目的是开发标本特异性的儿童膝关节模型，利用先前儿童FE方法学中的加载范式研究PCL生物力学，并将模型行为与文献报道的尸体完整膝关节数据进行对比评估。研究人员假设这些儿童模型能够再现两种加载条件下实验报告的胫骨后移，从而为未来原生PCL功能、损伤机制和儿童重建策略的分析建立一个经过验证的计算平台。
二、主要关键技术方法
研究人员从Akron儿童医院2016年至2020年间获取的22例儿童胫股关节计算机断层扫描（computed tomography, CT）图像（年龄9-18岁；女性6例，男性16例）出发，使用3D Slicer软件手动分割股骨、胫骨和腓骨的骨性几何结构，并在Meshmixer中进行约5%的平滑处理。韧带表面文件来源于Open Knee框架，通过骨性标志点和附着点几何方法缩放至各标本解剖结构。所有变形组织结构的网格密度采用文献描述的网格收敛法确定，最终单元尺寸选择标准为进一步细化导致的模型输出变化不超过5%。处理后四面体几何结构在FEBio软件套件中组装和模拟。材料属性参照Open Knee指南定义：骨骼设为刚体，软骨定义为近不可压缩Neo-Hookean材料，PCL、ACL、内侧副韧带（medial collateral ligament, MCL）和外侧副韧带（lateral collateral ligament, LCL）定义为不可压缩横向各向同性Mooney-Rivlin材料。半月板因无法从可用CT数据集中重建而被排除，但敏感性模型显示其包含与否对胫骨后移预测无显著影响（p>0.05）。
三、研究结果
3.1 孤立后向胫骨载荷下的胫骨后移
在膝关节屈曲30°条件下施加134 N后向胫骨载荷时，FE模型预测的平均胫骨后移为9.4±1.4 mm。Kennedy等人报告的相应尸体值为10.8±3.7 mm。模拟值与实验值的比较显示无统计学显著差异（p=0.14），均值差的95%置信区间为-3.16至0.46 mm。
3.2 耦合后向胫骨载荷与外旋载荷下的胫骨后移
在膝关节0°屈曲条件下同时施加100 N后向胫骨载荷和5 Nm外旋扭矩时，模型预测的平均胫骨后移为6.9±0.6 mm。Kennedy等人报告的相应完整尸体值为6.5±3.1 mm。模拟值与尸体均值之间无统计学显著差异（p=0.55），均值差的95%置信区间为-1.04至1.90 mm。
四、讨论总结与研究结论
研究人员指出，这些结果将先前的儿童FE工作扩展到了ACL主导的松弛模拟之外。先前的研究已证明相同的一般儿童建模工作流程能够再现模拟Lachman试验和轴移试验中的胫骨前移，而本研究则证明该框架在面对后向和旋转耦合载荷时也能再现完整的PCL主导行为。鉴于此前PCL的FE研究主要集中在成人膝关节且主要关注重建力学、移植物配置或韧带损伤后的关节负荷改变，与尸体基准的一致性支持将这些模型用作儿童PCL研究的基础。
建立准确的儿童PCL模型在生物力学和临床层面均具有重要意义。从建模角度看，FE研究只有在经过严格验证、透明报告并针对实验或影像基准进行验证后才能用于解决无法直接测量的问题，这一要求在儿童膝关节生物力学中尤为关键，因为直接实验受限于儿童标本的稀缺性和侵入性体内载荷研究的伦理不可行性。临床上，儿童和青少年PCL损伤虽不常见，但持续性后向松弛的后果可能相当严重。已有研究报告放射学骨关节炎发生率较高，更广泛的人群证据也表明PCL损伤患者症状性关节炎的风险增加。因此，经过验证的儿童计算平台提供了一种非侵入性方法来研究后向松弛、移植物放置、移植物张力或矫形干预如何改变膝关节力学。
研究人员承认以下局限性：模型基于CT骨性解剖而非受试者特异性半月板几何，但敏感性分析显示半月板包含与否对胫骨后移无显著影响；使用了成人来源的软组织材料属性，因为儿童本构数据仍然有限；受试者特异性体内关节载荷未知，所施加载荷来自标准化的尸体测试条件。尽管如此，这些标本特异性模型能够在两种验证条件下无显著差异地再现完整尸体后向松弛度，支持将其作为未来儿童PCL假设驱动分析的基础。
研究结论：这些儿童FE膝关节模型能够再现完整尸体胫骨后移，且在两种比较中均与实验基准无显著差异。这些发现支持将本框架作为非侵入性、受控环境下研究PCL生物力学的经外部基准测试的平台。建立准确的儿童模型具有重要价值，因为该人群的直接实验数据仍然有限，而有关损伤机制、重建策略和治疗优化的临床相关问题需要年龄适宜的生物力学工具。因此，本研究为未来儿童PCL研究提供了坚实的计算基础。
