膝关节接触力学中长程依赖的建模：拓扑扩散、全局路由及其混合方案

《Medical & Biological Engineering & Computing》：Modeling long-range dependencies in knee joint contact mechanics: topology diffusion, global routing, and their hybridization

　　

摘要

膝关节接触力学的有限元分析计算成本高昂，这促使了图神经网络代理模型的发展。然而，有效表示关节力学响应中的长程依赖关系仍然是一个挑战。拓扑扩散和全局路由通过不同的结构假设捕捉非局部相互作用；确定其中任一机制是否充分，或者它们是否互补，对于设计具有力学基础的代理模型至关重要。本研究系统比较了拓扑扩散、全局路由及其混合方法在膝关节接触力学代理建模中的应用。利用九名足球运动员进行变向动作的运动学和力数据，通过有限元模拟生成了图结构样本，用于分组三折跨主体评估。共比较了五种架构：标准MeshGraphNet、层级MeshGraphNet、仅路由的Transformer、拓扑偏置路由Transformer以及混合模型。混合模型总体表现最佳，相较于标准MeshGraphNet，RMSE降低了20.0%（0.044 ± 0.005 vs. 0.055 ± 0.008；p = 0.039），同时峰值应力误差最低，高风险区域的空间一致性最高。标准MeshGraphNet是最强的非混合模型，而仅路由策略效果较差。这些发现表明，拓扑扩散提供了稳健的基础，而全局路由在重建具有临床相关性的应力模式方面提供了互补性的增益。

图形摘要