用于研究损伤机制的膝关节有限元模型：开发与验证

目前已开发出多种计算模型用于研究膝关节生物力学。然而，这些模型中的大多数主要仅在有限的负荷条件下进行了验证，和/或未包含关节内关键解剖结构的充分细节。由于膝关节损伤的多因素动态特性，必须建立在广泛负荷条件下针对多种因素进行验证的解剖有限元（FE）模型。本研究提出了一个经过验证的下肢 FE 模型，该模型具有解剖学上精确的膝关节表征。该模型依据从静态、准静态和动态尸体实验中直接测量的胫股运动学、韧带应变/力以及关节软骨压力数据进行了验证。模型预测值与实验数据之间观察到强相关性（所有比较的 r > 0.8 且 p < 0.0005）。在所有静态和准静态负荷模式下，FE 预测值与平均实验数据之间的偏差（均方根（RMS）误差）较低，处于胫股旋转 2.5 deg、前交叉韧带（ACL）和内侧副韧带（MCL）应变 1%、ACL 负荷 17 N 以及胫股压力中心 1 mm 的范围内。同样，该 FE 模型能够准确预测模拟双足着地（动态负荷）过程中的胫股运动学以及 ACL 和 MCL 应变。除了与直接尸体测量结果的偏差极小外，所有模型预测值均落在平均实验数据的 95% confidence intervals 内。模型预测值与实验数据之间的一致性证明了所开发模型预测人类膝关节运动学以及生物软组织中发生的复杂、非均匀应力和应变场的能力。该模型将有助于深入理解多种潜在的膝关节损伤机制，尤其是 ACL 损伤。