用于前交叉韧带（ACL）损伤风险分析的计算肌肉骨骼模型：开发与验证

《Journal of Biomechanics》：A computational musculoskeletal model for ACL injury risk analysis: Development and validation

本研究开发并验证了一个整合膝关节韧带与全身肌肉的计算机模型，通过模拟跳跃落地等高风险动作分析ACL损伤机制，发现膝关节外翻、胫骨前移及股四头肌、腓肠肌和内收肌力量与ACL负荷显著相关，为预防策略提供依据。

　　

龚泽|李庚|韩月琦|李乐|张明|敖迪

中国西安西北工业大学生命科学与技术学院

摘要

计算肌肉骨骼模型在动态运动过程中具有量化关节、肌肉和韧带层面生物力学的巨大潜力——这一能力对于揭示前交叉韧带（ACL）损伤的潜在机制至关重要。然而，能够全面整合这些多层次特征的框架仍然十分稀缺。在本研究中，我们通过将包含韧带的离散元素膝关节模型整合到包含详细躯干和下肢肌肉的全身肌肉骨骼模型中，开发了一种新型的计算肌肉骨骼模型。在相同的预设运动条件下，验证了估计的韧带和肌肉几何形状的准确性，并通过一系列正向动力学模拟严格验证了膝关节韧带的机械行为。然后，将经过验证的模型应用于十五名健康参与者的四种高风险运动，之后进行线性回归分析，以量化由逆向运动学得出的运动学变量、使用个性化肌电图驱动的建模方法估计的肌肉力量以及ACL应变/应力之间的关联。所提出的模型在各种加载条件和屈曲角度下均表现出稳定的膝关节稳定性，同时保持了相对于源模型的准确韧带和肌肉几何形状。着陆阶段ACL应变的增加与膝关节外展和胫骨前移显著相关。股四头肌、腓肠肌和内收肌的力量在所有任务中均表现出对ACL加载的影响，而腘绳肌的力量则与ACL应力存在任务依赖性关系。最终，该模型为识别与ACL损伤相关的风险因素提供了有力工具，有助于开发和改进基于证据的预防策略。

引言

前交叉韧带（ACL）损伤是全球常见的膝关节疾病（Renstr?m, 2013）。作为膝关节的主要稳定器，ACL在维持关节功能方面起着关键作用；其损伤常常导致关节不稳定、半月板/软骨损伤以及早发性骨关节炎，从而显著降低生活质量并带来重大的社会经济负担（Wiggins et al., 2016）。因此，预防ACL损伤至关重要。鉴于大约70%-78%的损伤发生在跳跃、减速或转身等运动中的非接触机制下（Boden et al., 2000, Krosshaug et al., 2007, Waldén et al., 2015），在这些条件下精确量化ACL的加载对于阐明损伤机制和制定有效的预防策略至关重要。

计算肌肉骨骼模型被广泛用于估计不同任务（如行走、跳跃、跑步）中的ACL应变和加载（Sikidar et al., 2021）。早期的多体模型将韧带简化为刚体框架中的弹性元素（Xu et al., 2015），而后来的版本通过纳入股骨软骨、半月板、详细的韧带束和额外的膝关节自由度（DOFs）提高了解剖/生物力学的真实性（Esrafilian et al., 2025, Marieswaran et al., 2018），从而能够真实地描述复杂多平面运动中的关节接触力学和软组织加载。最近的进展将肌肉骨骼模拟与有限元（FE）分析相结合：肌肉骨骼模型中的肌肉力量和关节运动学作为生理边界条件，用于解决局部组织层面的力学问题（例如韧带力量/应变和软骨接触行为），并探索肌肉群（例如股四头肌、腘绳肌）对膝关节内部结构的影响（Adouni et al., 2016, Ueno et al., 2021）。然而，FE模型存在计算复杂度高且依赖于高质量输入数据（例如详细成像、准确的材料属性、精确的运动学）的问题，这在某些情况下限制了其可用性和效率。当前模型面临两个关键限制：下肢/躯干肌肉表示不完整——遗漏关键肌肉可能会影响ACL力学的真实性，因为关节间力量传递对ACL加载有显著影响（Zajac and Gordon, 1989）；以及肌肉力量估计缺乏个体化，忽略了个体神经肌肉和解剖学差异。这些挑战突显了需要具有更全面肌肉表示和个性化肌肉力量估计的模型的必要性。

近端下肢和躯干肌肉对于ACL损伤的预防和康复至关重要。髋关节外展/伸肌力量的不足或躯干神经肌肉控制的受损会破坏躯干-骨盆-髋关节-膝关节的生物力学链，导致在高需求运动（如着陆、变向）期间膝关节外翻和ACL应变增加。相反，针对性的近端肌肉强化可以改善运动链的力量传递，减少膝关节外翻矩和ACL加载（Burnham et al., 2026）。与此一致的是，核心训练可以增强下肢生物力学并降低ACL损伤风险（Jeong et al., 2021, Sasaki et al., 2019）。最近提出的包含下肢和躯干肌肉的全身模型提高了对这些肌肉相互作用的理解（Favier et al., 2021, Schmid et al., 2020）。我们的团队还开发了一个模拟与ACL损伤相关的高髋关节/膝关节屈曲运动的集成模型，通过个性化的躯干肌肉解剖横截面积实现了准确的躯干肌肉力量估计（Li et al., 2022）。然而，一个关键限制仍然存在：这些模型缺乏对膝关节局部结构（特别是韧带）的详细表示，限制了直接研究躯干和下肢肌肉如何影响ACL加载。

ACL损伤的风险因素是多方面的，明确不同因素如何影响ACL加载有助于加深对损伤机制的理解。以往的研究通常使用运动学变量——胫骨前移（ATT）（Kiapour et al., 2016）、膝关节外翻（Waldén et al., 2015）和内旋（Oh et al., 2012）——作为ACL加载的替代指标来评估损伤风险。虽然这些间接指标在尸体研究中与ACL加载相关（Bates et al., 2019, Kiapour et al., 2016），但它们在不同高风险动态任务中的一致性需要进一步验证。此外，关节周围肌肉作为重要的膝关节稳定器，可以调节运动和稳定性，从而改变ACL的机械加载，使肌肉力量成为一个关键的风险因素：股四头肌和腓肠肌通常会增加ACL加载，而腘绳肌则具有保护作用（Maniar et al., 2022）。然而，传统的肌肉骨骼模型限制了肌肉力量和韧带负载的同时估计，尤其是在多个高风险任务中。这些差距需要一个计算平台来同时评估高风险任务中运动学和肌肉因素对ACL加载的影响，从而深化机制洞察并支持有效的预防策略。

为了解决这些限制，本研究旨在开发一个将膝关节韧带与完整躯干和下肢肌肉整合的稳健肌肉骨骼模型，分为四个阶段实施：构建用于同时预测肌肉力量和ACL加载的复合模型；通过正向动力学模拟验证其稳定性和准确性；验证韧带和肌肉几何形状的形态学真实性；以及模拟高风险运动以检查传统生物力学风险因素对ACL应变/力量的影响。通过这些分析，本研究旨在展示所提出模型在揭示ACL损伤机制和风险因素方面的实际效用。

实验数据收集与处理

十五名健康的成年人（7名女性和8名男性；平均年龄25.1±3.0岁；平均体重66.0±14.4公斤）在提供知情同意后参与了本研究。参与者按随机顺序完成了五项运动任务（图1）：三种速度的行走（自行选择，80步/分钟和100步/分钟）、变向、单腿着陆、单腿着陆垂直跳跃和单腿着陆侧向跳跃。运动任务的详细描述见补充材料第1部分。所有试验均在

韧带和肌肉几何形状评估

为了验证所提出基础模型的几何真实性，将韧带几何形状与源M2模型进行了比较，而肌肉几何形状则与原始M1模型进行了评估。通过比较在相同被动膝关节屈曲过程中韧带长度的变化来评估韧带几何形状的一致性，同时通过分析调整小腿插入点后的同一行走周期内的肌肉长度变化来检查肌肉几何形状的一致性

韧带和肌肉几何形状

基础模型在估计膝关节屈曲时的韧带长度方面与M2模型高度一致，RMSE值较低（平均值=0.003±0.002米），相关性较高（平均值R=0.89±0.16）。最大偏差（约0.02米）出现在膝关节屈曲100度时（图3a）。行走过程中的肌肉长度估计也与M1模型非常接近，RMSE值较低（平均值=0.005±0.003米），相关性较强（平均值R=0.97±0.10）。在整个步态周期中，长度

讨论

本研究通过将全身动态模型（M1）与离散元素膝关节模型（M2）整合，开发了一个全面的肌肉骨骼模型，从而将膝关节韧带、软骨和躯干-下肢肌肉纳入统一框架中。基础模型的韧带机械行为通过正向动力学测试得到了验证，与已发表的数据吻合良好，而得到的肌肉和韧带几何形状与两个原始模型也非常接近。

结论

本研究开发并验证了一个全面的肌肉骨骼模型，该模型将膝关节韧带与详细的躯干和下肢肌肉整合在一起，为研究ACL损伤机制提供了稳健的计算框架。对高风险任务的模拟表明，膝关节外翻、胫骨前移以及股四头肌、腓肠肌和内收肌的力量是导致ACL加载增加的关键因素，而腘绳肌在调节ACL力量方面发挥了微妙且任务依赖的作用。

作者贡献

所有作者都参与了手稿的起草和修订，并批准了最终提交发表的版本。该研究由ZG和DA构思和设计。GL负责获取初始模型。ZG和DA负责新模型的开发和验证。参与者招募和数据收集由ZG、DA和YH完成。数据分析和解释由ZG、LL、MZ和DA共同完成。手稿的准备工作

作者贡献声明

龚泽：撰写——初稿，研究，概念化。李庚：软件，方法论。韩月琦：资源，研究，数据管理。李乐：撰写——审阅与编辑，研究，形式分析。张明：撰写——审阅与编辑，方法论。敖迪：撰写——审阅与编辑，软件，方法论，资金获取，概念化。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号32211530049, 32301090）、中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（GZB20230980）、中国博士后科学基金会（编号W016306）和陕西博士后研究资助计划（编号W016307）以及西北工业大学博士论文创新基金（CX2023087）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

特别感谢使这项研究成为可能的参与者，以及在实验过程中提供帮助的工作人员和受试者。

伦理批准

该研究的实验程序获得了西安国际医学中心医学伦理委员会的批准（ID: 202425），参与者也给予了书面知情同意。本研究遵循赫尔辛基宣言。该研究已在中国临床试验注册处注册