用于研究动态运动中骨应变的特定受试者肌肉骨骼模型

本实验的总体目标是创建一个用于骨应变分析的个体化肌肉骨骼模型。该方法有助于回答生物医学工程领域中的关键问题，例如量化人体在动态运动过程中的骨变形。该技术的主要优势在于采用了一种无创方法来研究动态体力活动期间的骨强度。

本实验操作将由本实验室的研究生 Marisa Loo 和 Kerstyn Hall 演示。开始此操作前，需对受试者进行 CT 扫描和人体测量学测量。随后，按照文本方案中所述，在参与者身体上放置 14 mm 的反射标记点。

在受试者的大腿和小腿上放置带有四个标记簇的半刚性塑料板。将受试者信息输入动作捕捉程序后，要求他们双脚与肩同宽，静止站立在已校准房间的中央。然后要求他们将上肢向两侧伸展，使所有反射标记均能充分暴露于摄像机视野中。

在主程序窗口中，打开工具面板，点击受试者准备选项卡。在受试者采集部分，点击“开始”以记录一次持续三秒的运动试验，作为静态校准试验。为了开始确定功能性的髋关节中心，请受试者单腿站立，同时将另一条腿完全伸展并略微向前伸出。

指导受试者将伸直的腿围绕髋关节向前移动，然后回到中立位；再向侧前方移动，然后回到中立位；接着向侧方移动，再回到中立位。

随后，让受试者将同一条腿围绕髋关节向后外侧移动，然后回到中立位。向后移动，再回到中立位。接着进行环转运动。

在主程序窗口中，打开工具窗格，单击捕获选项卡，然后在捕获部分单击“开始”，以记录每次功能性髋关节运动的运动试验。为了开始确定功能性膝关节中心，要求受试者单腿站立，同时使另一条腿保持30度的髋关节过伸。接下来，指导受试者用非负重腿进行45度的膝关节屈曲。

让他们重复此操作五次。在工具窗格的捕获部分，单击“开始”以记录每次功能性膝关节运动的运动试验。将已调节高度的木箱放置在覆盖有橡胶垫的地板区域上，并确保其距离测力台边缘约11 cm。

接下来，要求受试者站在箱子上。指导受试者将其优势腿直接向前伸出至箱子前方，然后将身体重心前移并迈下箱子。受试者的双腿应同时着地，每只脚分别落在不同的测力台上，并要求受试者保持站立姿势，直至该次试验的动作捕捉完成。

对每个高度重复进行三次动作捕捉，以收集三次动作试验数据。首先，打开动作捕捉软件程序。在主窗口中，进入通信面板，点击数据管理选项卡，并选择其中一个已记录的动作试验。

在程序中打开试验数据。在工具面板中，点击“流程”选项卡。从当前流程列表中选择重建流程，点击运行按钮以启动重建过程，获得反光标记点的三维轨迹。

转到工具面板，点击标签编辑选项卡，在手动标记部分选择各个标记点名称，并标注相应的三维轨迹。标记完成后，点击工具栏上的保存按钮。要开始创建下肢骨骼模型，请打开安装了人体建模插件的多体动力学仿真软件程序。

在启动界面中，双击新模型图标以打开模型构建控制面板，在主建模面板的人体测量数据库库部分，从下拉列表中选择通用身体模型，设定体重、身高、性别和年龄。在主建模面板的身体构型部分，点击下半身单选按钮，在单位下拉列表中选择 mm、kg、Newton；点击创建身体测量表部分的“应用”按钮，以确认身体测量参数。继续点击创建人体节段部分的“应用”按钮，以生成下半身骨骼基础模型。

开始对下肢关节进行建模时，打开主建模面板中的主菜单下拉列表，选择“关节”以打开关节配置面板。在关节配置面板的关节旋转元件部分，点击“准备带有记录关节的模型”旁边的按钮。在弹簧阻尼器和关节限位属性部分，输入名义关节刚度、名义关节阻尼和关节止动刚度的参数，如图所示。

继续通过选中相应的单选按钮来选择左腿和右腿，然后单击应用按钮以确认关节配置。之后，在主建模面板的主菜单下拉列表中打开菜单并选择工作流程，在子菜单下拉列表中选择步态与校准，在关节中心数据部分输入受试者的下肢关节中心文件。然后单击加载按钮以导入数据并调整关节中心的位置，在加载静态试验部分输入静态校准的运动捕捉试验数据。

单击加载按钮以导入文件并参数化下半身骨骼模型。要开始建模骨骼肌，请在主建模面板的主菜单下拉选项中选择“软组织”，然后在子菜单下拉选项中选择“创建基础组织集”。在肌肉收缩单元元素部分，单击“使用记录的肌肉元素准备模型”。

接下来，在全局记录元素肌肉属性部分，单击对应于更新后的45块肌肉组的单选按钮，然后接受此处所示的肌肉属性默认设置。选中左侧腿和右侧腿的单选按钮以进行肌肉分配，然后单击应用按钮以确认配置。在本研究中，采用一种非侵入性方法来测定胫骨在高冲击活动期间的变形情况。

通过将前向动力学仿真得到的下肢关节角度与运动捕捉数据中测得的相应关节角度进行比较，验证仿真的准确性。这些比较涵盖了三种下落高度下的踝关节角度、膝关节角度和髋关节角度，其中垂直线表示冲击时刻。可以看出，仿真结果与实验数据在很大程度上吻合，表明该仿真本身具有较高的准确性。

随后使用统计分析软件计算实验与模拟关节角度在零滞后时的互相关系数。记录受试者从三个不同高度着地时胫骨中段前内侧区域的峰值应变。52 cm着地条件下表现出最大的峰值最大主应变、峰值最小主应变以及峰值最大剪切应变。

随着跌落高度的增加，峰值最大主应变也随之增加。该技术在开发完成后，为生物医学工程领域的研究人员探索运动员和军事训练人员的骨应力损伤机制铺平了道路。