案例分析 | Adams 仿真帮助诊断膝盖病

概述
膝关节处于足底到骨盆的动力学链的中心点。但胫骨与股骨之间的连接所形成的几何约束却微乎其微。需经由大量软组织结构的运作来实现膝关节的稳定性。

这些结构的详细工作方式在很大程度上仍是未知的。MSC 的 Adams 是一种多体动力学仿真解决方案，可提供正确的深入分析，有助于更加透彻地了解膝关节的内部运作。

背景
典型的例子就是半月板的作用。半月板能帮助稳定膝关节，还可以起到吸收冲击的作用，缓冲来自股骨的压缩力并传播到更大范围的胫骨上。但我们对于半月板的许多方面仍然一无所知。

密苏里大学 Mizzou 运动分析中心（MAC）的研究人员认为，加深对半月板的了解有可能需要对传统分析法进行提升。他们需要一种多体动力学仿真工具，这种仿真应能重现由肌肉驱动的荷载和运动，并且拥有对所有的膝关节连接组织进行建模时所需的计算能力。他们选定的软件工具就是 Adams。

MAC 研究人员采用 Adams 多体动力学软件来开发最全面、最逼真的膝关节仿真。他们首先为受试者配装标示器。他们利用一个运动捕获系统来记录受试者在实验室内行走、活动时这些标识器的移动。通过核磁共振成像（MRI）技术捕捉骨骼、软骨、半月板及韧带的图像。利用测力板来测量地面接触力、利用 EMG（肌电图）来测量肌肉活动。然后用采集到的数据来创建每个受试者的各个内部肌骨胳系统的 Adams模型。

骨骼、软骨及半月板的 Adams 模型

采集这些实验性运动数据能够为模型运动时提供约束下的步态动力学输入。模型受到关节、膝盖处的接触和韧带力以及地面接触力的约束。为确定运动期间的肌力和膝盖荷载进行了一次向前步行的动力学仿真，预测了膝盖组成部分之间的接触力，以及作用在膝盖韧带上的作用力。

Adams 膝盖仿真：运动重现捕捉系统测试（左图）和膝关节的精细观察（右图） 

在步行动力学仿真中，Adams 与 Simulink 进行数据整合的能力对建立准确的膝关节仿真起到了关键作用。通过在 Adams 和 Simulink 的联合仿真，研究人员能够在仿真过程中获得至关重要的关键性真知灼见。

结束语

借助于 Adams，MAC 研究人员得以逐步掌握膝关节半月板机能的复杂性。他们发现，半月板的生物力学机能随半月板附着带长度的增加而下降。这个结果使研究人员和医生不仅能做到有的放矢，还能比以前更加有效地防止未来的疼痛及损伤。

半月板的生物力学机能随半月板附着带长度的增加而下降

“展望未来，这项技术有可能在诊断膝关节疾病、改进外科手术方面取得重大进展，还会让我们在以及其他方面受益匪浅。”
——Trent Guess，密苏里大学理疗与整形外科副教授

关于密苏里大学
密苏里大学成立于 1839 年，是美国密苏里州规模最大的大学，目前在校生超过 35,000 人。Mizzou 运动分析中心从属于理疗系，该中心集生物力学工程、整形外科及理疗方面的研究于一身，旨在改进对人体运动的测量与维护。