揭示不合理的膝关节负荷：3D负载平衡技术暴露出传统两步式肌肉骨骼建模的局限性

《Journal of Biomechanics》：Exposing implausible knee loading: 3D load-balancing reveals limitations in traditional two-step musculoskeletal modeling

　　

摘要

准确估算膝关节内侧和外侧的受力情况对于理解关节力学至关重要。传统的两步法先是估算肌腱力量，再推导出关节反作用力和力矩，之后通常会采用简化的二维受力平衡方法来计算股胫关节在矢状面上的接触力。本研究探讨了完整的三维膝关节平衡状态对股胫关节接触力及韧带力量估算的影响。研究使用了48名健康参与者的步态数据，并借助下肢肌肉骨骼模型进行分析。股胫关节被建模为一个具有活动轴的铰链结构。关节反作用力和力矩是通过从逆动力学计算的节间载荷中减去通过静态优化得到的肌腱力量来获得的。随后，要么使用二维方法，要么使用所提出的三维受力平衡方法来计算内侧和外侧的接触力，后者会利用所有关节反作用力分量来估算韧带力和接触力。三维方法得出的内侧和外侧接触力在整个站立阶段都要显著更高，分别达到2.50 BW和1.82 BW。韧带力的峰值分别为前交叉韧带1.05 BW、后交叉韧带1.12 BW、外侧交叉韧带0.44 BW，而内侧交叉韧带几乎没有受力。研究还发现存在不可忽视的最小二乘残差，这说明受力平衡存在局限性。三维受力平衡方法由于关节反作用力的影响而产生了不符合生理实际的受力模式，尤其是在传统两步法中分别估算肌腱力量之后，会出现较高的内旋/外旋力矩，而二维受力平衡方法则无法察觉这些问题。未来的研究应倾向于采用一步法，同时确定肌腱力、韧带力和接触力。

Elisa Jolas|Sacha Guitteny|Nolwenn Fougeron|Rachid Aissaoui|Charles Pontonnier|Rapha?l Dumas