《考虑虚拟韧带，将患者胫股关节运动学和载荷转移至六自由度关节模拟器的研究及其意义

《Scientific Reports》：Transfer of patients’ tibiofemoral kinematics and loads to a six-degree-of-freedom (6-DOF) joint simulator under consideration of virtual ligaments

为解决全膝关节置换术（TKR）临床前测试局限性问题，研究人员将 5 种日常活动载荷案例转移到六自由度关节模拟器测试 TKR。结果发现胫股接触面积受动力学影响更大等。该研究有助于全面评估 TKR，为相关研究提供参考。

　　在全膝关节置换术（Total Knee Replacement，TKR）的临床前测试领域，一直以来都存在着诸多挑战。传统的动态实验测试大多聚焦于水平行走和深蹲等活动，无法涵盖人们日常生活中的所有活动场景。而且，在测试过程中，韧带装置的作用常常被简化处理，这使得测试结果难以全面、准确地反映 TKR 在实际使用中的性能。为了更深入地了解 TKR 的性能，评估新的植入物设计，研究人员迫切需要一种更全面、更符合生理条件的测试方法。

在这样的背景下，德国罗斯托克大学医学中心（Rostock University Medical Center）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将 5 种来源于体内测量的标准化载荷案例，即水平行走、下坡行走、下楼梯、深蹲和从坐到站，转移到六自由度关节模拟器 VIVO?上，对保留后交叉韧带（Posterior Cruciate Ligament，PCL）的双髁 TKR 进行测试，同时考虑了膝关节周围的韧带装置。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，基于 “CAMS-Knee Project” 中 6 名测试对象的遥测数据，制备标准化载荷案例，并通过缩放载荷、调整坐标系统等操作，将数据转换为适用于 VIVO?关节模拟器的格式。其次，在 VIVO?关节模拟器上，通过定义 “参考姿势”、设置虚拟韧带参数等方式，实现虚拟韧带装置的构建。最后，进行实验测试，包括加载不同载荷案例、测量多种参数以及分析不同韧带条件下的关节动力学变化 。

研究结果如下：

• 运动学和动力学分析：通过对不同载荷案例下胫股关节的运动学和动力学分析，发现水平行走、下坡行走和下楼梯的运动学和动力学曲线具有相似性，可归为 “运动载荷案例”；深蹲和从坐到站的曲线相似，可归为 “站立载荷案例”。在这些载荷案例中，下楼梯和下坡行走时胫股关节的轴向载荷最大；除从坐到站外，其他载荷案例的内外旋转力矩在运动周期约一半时达到最小值12。
• 胫股接触面积分析：研究发现下坡行走的胫股接触面积最大，其次是下楼梯和水平行走；深蹲和从坐到站的接触面积在大小和位置上非常相似。并且，所有载荷案例中，内侧接触面积均大于外侧3。
• 韧带装置变化的影响：PCL 切除通常会导致在约 30 - 40° 屈曲角度时，绝对上下方向力减小，胫骨向前移动，外展增加；内侧和外侧韧带结构刚度加倍会使整个屈曲周期内的上下方向力略有增加，但对前后方向接触力和位移的影响因载荷案例而异45。

研究结论表明，5 种载荷案例成功转移到六自由度关节模拟器，用于不同 TKR 设计的测试。胫股接触面积受动力学影响比运动学变量更大，PCL 切除不仅影响前后平移，还对高屈曲角度时的内外翻稳定性有贡献。然而，该研究也存在一定局限性，如仅测试了一种植入物设计，且未考虑植入物与肌肉骨骼系统的相互作用等。尽管如此，该研究为 TKR 的研究和开发提供了新的思路和方法，为后续研究奠定了基础。其成果发表在《Scientific Reports》上，为该领域的发展提供了有价值的参考，有助于推动 TKR 技术的进一步改进和完善。