本项目基于人体步态模型，依据运动捕捉实验和形态学参数对正常人和患者使用ANYBODY软件进行个性化建模仿真，通过运动学和逆向动力学模拟人体步态过程中的生物力学变化，揭示患者异常步态模式及与膝骨关节炎的潜在联系。
膝骨关节炎是骨科常见的一种退行性的关节疾病，也是慢性残疾的首要诱因，严重时会影响到人们的生活健康。该病的发生与前交叉韧带损伤密切相关，前交叉韧带（合并半月板）损伤诱发骨关节炎，是一个长期作用的结果。这其中包含患者下肢术前及术后的一些适应性改变。这些改变可能会伴随有膝关节周边稳态的变化，包括肌肉力、关节力改变等，进而导致膝关节异常的运动模式，增加了膝关节处发生病变的几率，长期的生物力学异常会启动和加速膝关节的退行性改变和骨关节炎的发生。
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据报道，78%的足球运动员在前交叉韧带损伤14年后发现了放射性骨关节炎，相比之下，他们未受伤的膝盖骨关节炎的发生率只有4%。对于一些特定运动，如篮球、足球等，损伤后大约50%的受伤者没有恢复到伤前运动状态，并且他们在相对年轻的时候发生骨关节炎的概率大大增加。与老年人的非创伤性骨关节炎相比，创伤后骨关节炎导致关节相关疾病的发病时间更长，同时患者的生活质量也受到严重影响。因此，深入了解前交叉韧带损伤对膝骨关节炎发病的影响，对于临床治疗以及患者生活质量的改善，具有重要的现实意义和社会意义。本项目主要分析前交叉韧带合由并不同类型半月板损伤的生物力学变化。在进行肌肉骨骼模型仿真分析之前，需要采集患者和正常人的运动学和地面反力数据，作为人体逆向动力学仿真的输入条件。技术手段主要分为步态数据采集、逆向动力学分析、数据挖掘与分析三个部分。首先，通过三维动作捕捉技术捕捉受试者的运动学数据及地面反力；其次借助AnyBody完成受试者的个性化建模和生物力学建模分析；最后借助统计学手段及主成分方法对运动学、动力学结果进行挖掘分析。
本项目以运动捕捉实验所采集到的包含运动学和地面反力在内的c3d文件作为人体肌肉骨骼系统仿真分析的输入条件。采用商业软件AnyBody (AnyBody Technology A/S, Aalborg, Denmark)中比较成熟的一款人体肌骨模型——MoCapModel下肢模型（AMMR 1.6.2）进行仿真分析。该模型的主要由12个骨骼组成，包括头、手臂、躯干、骨盆、左右股骨、髌骨、胫骨、距骨和脚。其中定义了11个关节来连接各个部分。下肢包含了三个主要关节约束：髋关节处具有三个方向的转动自由度；膝关节具有矢状面一个自由度；踝关节包含一个转动和一个位移两个自由度。肌肉模型一共有39条159束，均为Hill型肌肉模型，由55个肌腱单元组成。考虑到不同个体之间骨骼、肌肉的差异，依据Length-mass-fat定律，通过受试者的形态参数（身高、体重）对节段和等长肌力进行缩放。为避免数据采集过程中的环境噪声，将截止频率设定为10Hz，对输入的C3D文件采用二阶零相位Butterworth过滤器进行前处理，然后再将处理过后的c3d实测数据导入到MoCapModel下肢模型中以匹配人体模型中的骨性标志点，以获取人体骨骼模型的运动学结果，作为逆向动力学分析的基础。MoCap下肢模型中的骨性标志点：（红色）模型设定点；（蓝色）实验测试贴于人体表面标记点最后，基于运动学分析拟合好的运动轨迹，结合输入的测力台数据，逆向计算产生这种运动模式所需要的关节力和肌肉力。
胫股关节矢状面的运动学特征（绿色 区域代表对照组的标准差范围）胫股关节矢状面的运动学特征（绿色 区域代表对照组的标准差范围）本项目基于不同受试者建立了个性化的肌肉骨骼模型，使用仿真技术分析了水平行走时前交叉韧带合并不同类型半月板损伤的运动学和动力学的变化，验证了前交叉韧带合并半月板损伤会改变膝关节的运动学和动力学，对临床治疗提供了有效的参考意义。
