一种可快速校准的参数化髋关节囊模型，用于评估全髋关节置换术中的关节囊约束

《Annals of Biomedical Engineering》：A Rapidly Calibratable Parametric Hip Capsule Model for Evaluating Capsular Restraint in Total Hip Arthroplasty

　　

摘要

目的

髋关节囊的被动约束功能在全髋关节置换术（THA）后维持关节稳定性中起着关键作用。然而，由于关节囊生物力学的复杂性以及缺乏高效的定量工具来调整植入物参数，恢复这一功能仍然具有挑战性。本研究开发了一种可快速校准的数值参数化髋关节囊模型，以表征被动关节囊力学特性，并定量评估植入物的几何和定位参数。

方法

通过将关节囊分为12个扇区并设置25个参数，构建了一个基于非线性弹簧的模型，并利用尸体髋关节的实验测量扭矩-旋转数据进行校准。通过与有限元（FE）模拟及多种运动下的实验测量结果进行对比，验证了模型的准确性。将校准后的框架应用于九个髋关节标本，以评估股骨头尺寸、颈长增量和股骨柄前倾角对THA后关节囊约束的影响。

结果

该模型实现了高效校准（每个标本0.74小时；每次迭代<1秒），并与有限元模拟表现出高度一致性，整体扭矩均方根误差（RMSE）为0.21±0.02 Nm。相对于实验的旋转RMSE范围为5.2°至9.4°。参数分析表明，仅调整股骨头尺寸不足以恢复关节囊约束，而协调调整颈长和股骨柄前倾角可显著改善稳定性并减少旋转过度活动。

结论

本研究提出了一种计算高效且准确的髋关节囊建模框架，能够实现快速校准和定量评估关节囊力学特性，为个性化THA规划和术后稳定性评估提供了实用工具。