《Bioengineering》：Development and Surface Indentation Assessment of an MRI-Based Subject-Specific Hand–Forearm Finite Element Model: A Preliminary Study
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摘要
背景：手和前臂过度或分布不良的接触载荷可导致疼痛、功能受限、皮肤破损及深层软组织损伤，因此需要对局部软组织变形和应力进行可靠的定量评估。尽管手和前臂的解剖学细节有限元模型已分别得到发展，但将其整合到一个连续的患者特异性手-前臂模型中仍较为有限。方法
摘要
背景：手和前臂过度或分布不良的接触载荷可导致疼痛、功能受限、皮肤破损及深层软组织损伤，因此需要对局部软组织变形和应力进行可靠的定量评估。尽管手和前臂的解剖学细节有限元模型已分别得到发展，但将其整合到一个连续的患者特异性手-前臂模型中仍较为有限。方法：这项初步单受试者研究利用一名健康成年男性志愿者的MRI数据，构建了一个基于MRI的患者特异性手-前臂有限元模型。该模型包含了手和前臂的完整解剖结构，以及肱骨，后者为前臂肌肉和手部外在肌提供了近端附着点。部分选定的肌肉-肌腱路径根据已发表的手-腕部肌肉骨骼参数进行了修正。皮肤、脂肪和肌肉的厚度场通过一种基于改进的双向射线投射（mBRP）程序的解剖学信息厚度估计算法进行量化。代表性的压痕位点根据厚度场进行选择。从P1和P2分析中选出的一种材料组合在保留的P3位点进行了未经修改的评估，随后在P3位点进行了探索性的事后筛选；一致性通过均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）、决定系数（R2）和相对绝对峰值力误差进行评估。结果：该模型包含179个组件，包括骨骼、肌肉、韧带、肌腱、软骨、皮肤和皮下脂肪，共120,563个四面体单元和56,944个五面体楔形单元。所有五项人体测量学指标与男性P50参考值的差异均小于5%。在29个可比较的肌腹长度中，共有27个落在已发表范围内或与现有的单标本数值一致。mBRP衍生出的皮肤厚度测量值与预设值仅相差0.00–1.67%。拟合最佳的组合为P1位点的Skin2–Fat2（R2 = 0.972）和P2位点的Skin3–Fat3–Muscle3（R2 = 0.973）。在保留的P3位点，Skin3–Fat2–Muscle3组合保持了良好的一致性（R2 = 0.877）。相比之下，P2位点最优的Skin3–Fat3–Muscle3组合在P3处的表现明显较差（R2 = 0.344）。随后在P3处对所有27种组合的探索性筛选确定Skin2–Fat2–Muscle3为最接近的位点特异性拟合（R2 = 0.983）。结论：在这项初步的单受试者研究中，该模型显示出解剖学一致性，并再现了三个研究位点的被动压痕响应。跨位点的可转移性依赖于材料组合：共同选择的P1–P2组合在P3位点保持了良好的一致性，而P2位点特有的最优组合则未能实现。这项研究证明了个体化手-前臂建模工作流程的技术可行性，但尚未确立普遍可转移的组织参数或群体水平的普适性。需要在更多参与者中开展评估。
论文解读：基于MRI的个体化手–前臂有限元模型构建与表面压痕评估
一、研究背景与问题
手和前臂在精细运动控制、功能性抓握及日常生活活动中具有核心作用。早期手部与腕部骨科的有限元研究主要集中于骨性结构，然而当建模目标涉及肌肉、关节及周围软组织的力学贡献时，仅含骨骼的模型无法满足需求，上肢生物力学建模须从孤立的骨骼表征转向整合式肌肉骨骼系统模型。尽管已有多种上肢有限元模型被应用于不同的生物力学问题，但多数模型局限于指尖、特定抓握任务或单一接触区域，未能捕捉从前臂肌腹经腕部、手掌延伸至手指附着点的连续肌肉–肌腱路径。这一局限制约了其在接触载荷、内部组织变形与肌肉骨骼支撑在手–前臂复合体中相互作用的临床及临床前场景中的应用。临床相关的接触力学并非仅由皮肤表面决定，外部接触载荷透过皮肤、皮下脂肪、肌肉、肌腱与深层骨骼传递。实验–MRI与有限元研究已表明，外部接触可在内部产生无法仅由表面压力充分表征的力学状态。表面压痕提供了一种评估被动软组织压缩的实用实验途径。既往研究已分别开发了受试者特异性手部模型、高保真前臂模型及基于MRI的分层压痕模型，但将手与前臂整合于一个连续解剖模型中的工作仍较有限。本研究的主要贡献在于构建一个整合手与前臂、包含分层软组织和连续前臂–手部肌肉–肌腱路径的解剖学精细受试者特异性模型，并通过压痕实验评估该模型预测的力–位移响应与在体测量结果之间的一致性。
二、研究目的与研究内容
本项初步单受试者研究旨在开发一个基于MRI的受试者特异性手–前臂有限元模型，整合连续解剖结构、分层软组织及肌肉–肌腱几何形态，并评估其预测的被动压痕响应与受试者在体测量结果之间的响应级一致性。研究选取具有不同层厚特征的代表性表面区域，在P1和P2位点筛选来源于文献的材料组合，并在P3位点不加调整地评估所选候选组合的跨位点表现。模型构建基于一名身体尺寸与GB/T 10000-2023中男性P50值密切匹配的成年男性的人体测量数据，经北京大学第三医院伦理委员会批准并获取书面知情同意。MRI数据采用3.0-T联影uMR 880扫描仪采集，包括高分辨率手部扫描、高分辨率前臂扫描及用于配准的低分辨率全手–前臂扫描。该研究发表于《Bioengineering》期刊。
三、主要关键技术方法
本研究采用以下关键技术方法：（1）基于MRI的解剖重建，在Mimics软件中进行初始分割，并在Blender中修正局部解剖不连续、肌腱路径和肌肉轨迹，同时参考已发表的肌肉骨骼参数及解剖数据集对选定肌–腱单元进行路径校正；（2）基于改进的双向射线投射程序的解剖信息厚度估计框架，用于量化皮肤、脂肪和肌肉的空间厚度分布；（3）有限元模拟，使用Abaqus隐式求解器，采用几何非线性静态通用分析步，模拟压痕过程中的力学响应；（4）在体压痕实验，使用电子推拉力计和定制3D打印圆柱形压头，在三个代表性位点施加位移控制的压痕加载。
四、研究结果
3.1 参与者测量结果。参与者的五项人体测量指标与GB/T 10000-2023男性P50参考值的偏差均在±5%以内，支持其作为构建近似平均尺寸成年男性手–前臂模型的适用对象。
3.2 解剖组成与网格特征。模型包含179个组件，包括30块骨骼、30块肌肉、49条韧带、肌腱、软骨、皮肤和皮下脂肪，网格包含120,563个四面体单元和56,944个五面体楔形单元。由于拇短屈肌和拇收肌在MRI上无法清晰区分，两者被合并为一个复合肌单元。29个可比较肌腹中27个长度在已发表范围内或与单标本数值一致，AbPL和PI 2为两个例外。
3.3 分层软组织厚度场与代表点位。皮肤优势指数及脂肪和肌肉厚度场的分析显示手–前臂表面存在明显的空间异质性。P1选于拇指指腹，因其皮肤优势指数较高且表面平坦适合加载；P2和P3分别代表最大脂肪厚度区域和最大肌肉厚度区域。
3.4 位点特异性材料组合筛选与跨位点迁移评估。在P1位点，因该区域下方无骨骼肌腹，仅评估了九种皮肤–脂肪组合，Skin2–Fat2获得最佳一致性。在P2位点，Muscle3组合表现最优，Skin3–Fat3–Muscle3获得最佳整体一致性。经联合筛选，Skin3–Fat2–Muscle3被选为P1–P2迁移候选，在P3处不加调整地评估，获得良好一致性。相比之下，P2特异性最优的Skin3–Fat3–Muscle3在P3处表现较差。后续探索性分析显示，Skin2–Fat2–Muscle3是P3处最接近的位点特异性拟合。
五、讨论与结论
本研究表明手–前臂表面不应被视为均质的软组织包膜，而应视为具有不同皮肤、脂肪和肌肉厚度曲线的空间异质性结构。基于厚度差异选出的代表性压痕位点表现出不同的最优材料组合。跨位点迁移性依赖于材料组合，联合选择的P1–P2候选可在P3保持良好一致性，而P2特异性最优组合在P3表现不佳。研究局限性包括单受试者设计、仅三个压痕位点的实验评估，以及采用离散的文献衍生组合而非唯一识别组织参数。未来研究应纳入更多压痕位点和独立受试者，以评估空间和个体间泛化能力。本研究得出的结论是：该模型展示了在单个健康成年男性中构建解剖学一致的手–前臂有限元模型并再现被动压痕响应的技术可行性，但所选组合应视为依赖于位点和加载条件的表观表征，而非普遍适用的固有组织特性，须在目标位点和加载条件下进行验证后方可推广。
