《Annals of Biomedical Engineering》：Design and Validation of a Stiffness-Matched Cervical Spine Surrogate
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摘要：本研究旨在通过拓扑优化(topology optimization)开发一种新型、低成本、可模塑的颈椎替代物(cervical spine surrogate)，以经验证的全身人体模型(ground truth)指导设计并确保多平面加载下的生物逼真度(b
摘要：本研究旨在通过拓扑优化(topology optimization)开发一种新型、低成本、可模塑的颈椎替代物(cervical spine surrogate)，以经验证的全身人体模型(ground truth)指导设计并确保多平面加载下的生物逼真度(biofidelity)。研究人员使用全球人体模型联盟第50百分位男性行人模型(Global Human Body Models Consortium 50th percentile male pedestrian model, GHBMC M50)分离骨韧带颈椎(osteoligamentous cervical spine, OLS)以确定多平面力学行为，并在LS-Dyna中进行平面加载仿真以获取OLS响应，将其作为拓扑优化的目标指标来生成解剖学启发的颈椎替代物。优化目标为最小化体积分数，约束条件包括由GHBMC M50P OLS几何松散定义的体素边界及矢状面对称性。选用双组分树脂(two-part resin)的材料属性参与优化以保证力学保真度并实现单件单次浇注(single-part, single-pour)成型。最终替代物采用定制双组分模具制作，并使用六自由度机器人平台在复现原始仿真工况下开展屈曲(flexion)、后伸(extension)及侧屈(lateral bending)试验。轨迹匹配对比GHBMC-M50 OLS与新型替代物显示：在生理相关力矩范围内遍历时，屈曲、后伸、左侧屈及右侧屈所需力矩差异分别为1.5 N·m、1.3 N·m、0.1 N·m及0.2 N·m。初步验证试验表明，拓扑优化可实现整体式(monolithic)、低成本树脂替代物，能够复现GHBMC-M50P OLS的生物力学行为。
《Design and Validation of a Stiffness-Matched Cervical Spine Surrogate》论文解读
本文发表于Annals of Biomedical Engineering，研究针对现有拟人测试装置(anthropomorphic test device, ATD)如Hybrid III颈部过于刚硬、缺乏多平面加载保真度且成本高昂，而已有替代颈椎设计多依赖多组件装配、未充分利用经过验证的计算人体模型(human body model, HBM)进行刚度匹配的问题，提出以经广泛验证的GHBMC M50骨韧带颈椎(osteoligamentous cervical spine, OLS)为金标准，通过拓扑优化(topology optimization)设计单材料、单件浇注的整体式颈椎替代物，使其力学响应逼近GHBMC M50P OLS，为低成本、高生物逼真度的颈椎力学测试提供新方案。
研究人员采用的关键技术方法包括：(1) 从GHBMC M50模型中隔离C1–C7骨韧带颈椎(OLS)，在LS-Dyna中施加纯力矩载荷仿真获取伸展与侧屈方向的力-变形曲线及弹性能作为优化目标；(2) 在nTop平台中以GHBMC颈椎CAD几何定义最大设计域(design region)与最小被动保留域(passive region)，输入双组分聚氨酯树脂(Devcon Flexane 80)的各向同性线弹性参数(杨氏模量、泊松比)，设置目标刚度(弹性能)、矢状面对称约束、可成型性(无内腔悬垂)约束，运行100次迭代拓扑优化最小化体积分数；(3) 将优化后几何导入LS-Dyna做计算验证，对比GHBMC OLS力-位移响应；(4) 依据STL文件设计增材制造双组分模具，浇注Flexane 80固化得实体替代物；(5) 使用六自由度KUKA机械臂配合NDI Optotrak光学追踪系统及simVITRO软件，按预设轨迹对实物替代物进行屈曲、后伸、左右侧屈纯力矩加载(约2 N·m)，每工况重复5次，并将实测位移轨迹回代GHBMC模型求对应力矩进行轨迹匹配对比。
结果与讨论部分总结如下：
Topology Optimization（拓扑优化）
优化历经100次迭代，从第1次接近最大设计域体素逐步移除材料，约75次迭代趋近满足冠状面与矢状面柔顺度(compliance)目标的构型，第100次完全满足最小体积约束。最终构型保留了类似解剖被动区的解剖启发形态。
Computational Validation（计算验证）
在相同挠度区间内，nTop生成设计在伸展0–10 mm与侧屈0–2 mm范围内力-变形曲线与GHBMC M50 OLS高度吻合；GHBMC OLS峰值力约20 N(伸展挠度16 mm，侧屈挠度8 mm)，替代物设计峰值力约40 N，整体略刚于GHBMC但在小变形段匹配良好，被认为可接受。
Mechanical Testing（力学测试）
KUKA平台对实物替代物施加~2 N·m纯力矩并测角位移：屈曲时替代物峰值力矩2.03 N·m、角位移18.97°，GHBMC对应0.35 N·m、16.99°；后伸时替代物2.49 N·m、21.87°，GHBMC 0.63 N·m、27.37°；左侧屈替代物1.84 N·m、12.14°，右侧屈2.17 N·m、12.79°，GHBMC双侧均为2.08 N·m、13.54°。屈曲/后伸力矩高于GHBMC（因无肌肉软组织参与且仅优化后伸方向），但侧屈双侧高度对称且与GHBMC接近，满足对称约束预期。相较Hybrid III颈部同等转角下需超20倍力矩，该替代物明显更接近GHBMC响应。
Discussion（讨论）
优化构型的解剖相似性说明人体颈椎进化形态具力学合理性。局限包括缺乏尸体标本(cadaveric PMHS)直接校准、仅优化两个主方向未含屈曲及耦合多平面运动、单一试件未能评估制作变异。屈曲/后伸偏差源于脊柱前后解剖不对称及未单独优化屈曲，未来拟增加加载方向、更高加载速率、大样本重复制及集成完整头-颈模拟器。初步验证证明拓扑优化可制备单体低成本树脂颈椎替代物复现GHBMC M50P OLS生物力学行为，优于传统ATD颈部刚度表现，为损伤生物力学研究提供可行物理孪生件。
Conclusions（结论译述）
初步验证测试表明，拓扑优化使得研究人员能够制作出一种整体式、低成本的树脂替代颈椎，可复现GHBMC-M50P骨韧带颈椎(OLS)的生物逼真(biofidelic)力学行为。
