基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展.pdf

第41卷第1期2024 年2 月文章编号：10 0 0-49 39(2 0 2 4)0 1-0 2 33-0 8应用力学学报Chinese Journal of Applied MechanicsVol.41 No.1Feb.2024基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展杜娟,夏晓宇,孟琳,苗军,明东（1.天津大学医学工程与转化医学研究院，30 0 0 7 2 天津；2.天津大学天津医院脊柱二科,30 0 2 10 天津）摘要：由于现代生活方式的改变与人口老龄化,近年来脊柱疾病发病率急剧升高。生物力学研究是评估脊柱相关疾病的重要内容,通过建模仿真的方法探究脊柱生物力学一直是重要的手段之一。目前，结合肌骨模型与有限元的方法成为脊柱生物力学的研究热点，因此，本研究对国内外使用肌骨模型与有限元相结合的方法探究脊柱生物力学特征的文章进行调研，系统阐述了该方法在脊柱相关疾病方面的临床应用进展，总结基于这种方法的建模方式，包括加载方法、杨氏模量、泊松比等参数设置，以及使用该方法在脊柱相关疾病上的评估应用。结果表明：基于肌骨动力学与有限元的方法，对探究人体在体运动时脊柱组织层面的应力应变、椎间盘内压力（intervertebral disc pressure，IDP)等情况,提供了一种多尺度评估方法,但该种方法目前存在模型构建时间长、研究动作单一、需要验证模型有效性不足等问题,是未来脊柱生物力学领域研究需要研究的方向。关键词：脊柱；运动分析；肌骨模型；有限元中图分类号:R318.01A review on applications of computational models combining finite(1.Academy of Medical Engineering and Translational Medicine,Tianjin University,300072 Tianjin,China;2.Second Department of Spine,Tianjin Hospital,Tianjin University,300210 Tianjin,China)Abstract:Due to the changes of modern lifestyles and the aging of the population,the incidence of spinaldiseases has increased dramatically in recent years.Biomechanics research is an important part of theevaluation of spine related diseases.It is always an important means to explore the biomechanics of spinethrough modeling and simulation.At present,the combination of musculoskeletal model and finite elementmethod has become a research hotspot in spinal biomechanics.Therefore,this paper investigates domesticand foreign articles that use the combination of musculoskeletal model and finite element method to explorespinal biomechanical characteristics,systematically describes the clinical application progress of this收稿日期：2 0 2 2-11-0 3基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2022YFF1202500；2 0 2 2 YFF12 0 2 50 3）通信作者：苗军,博士生导师。E-mail:引用格式：杜娟，夏晓宇，孟琳，等.基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展J.应用力学学报，2 0 2 4,41（1）：2 33-2 40.DU Juan,XIA Xiaoyu,MENG Lin,et al.A review on applications of computational models combining finite element methods and musculoskele-tal model J.Chinese journal of applied mechanics,2024,41(1):233-240.文献标志码：Aelement methods and musculoskeletal modelDU Juan,XIA Xiaoyu,MENG Lin,MIAO Jun,MING Dong修回日期：2 0 2 3-0 8-2 8D0I:10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.025234method in spine related diseases.And the paper summarizes the modeling method based on this method.Itincludes the setting of parameters such as loading method,Youngs modulus,Poissons ratio,and theapplication of this method in the evaluation of spine related diseases.The results show that based onmusculoskeletal dynamics and finite element method,it provides a multi-scale evaluation method forexploring the stress,strain and IDP at the spinal tissue level during human body movement.However,thismethod currently has problems such as long model construction time,single research action and insufficientvalidation of model validity,which is the direction of future research in the field of spinal biomechanics.Key words:spine;kinematic analysis;musculoskeletal model;finite element当前社会人口老龄化的加剧，现代的工作模式要求经常重复某一极限动作或承担较重负荷，导致脊柱疾病发病率急剧升高,如：脊柱侧弯、腰痛、腰椎间盘突出等。这些脊柱疾病大多是不恰当的负荷引起的,因此,脊柱生物力学分析是相关疾病诊断治疗中一种十分重要的方式。脊柱生物力学参数的传统测量方法通常是将器械植入体内相应位置，受试者按照要求完成指定动作进行测量，如：椎间盘内压力（intervertebraldiscpressure,IDP)通过将压力传感器插人椎间盘内测量12 ，脊柱传递的力和力矩也通过植入物在体内进行测量3。这种测量方式是侵人性的、昂贵的,难以在正常人体内进行测量，具有很大的局限性。基于此,基于影像、无创的建模手段对体内生物力学参数进行预测成为一种替代方案,因其非侵入性等特点，近年来快速发展，成为众多科研人员进行相关研究时广泛应用的方法。脊柱相关疾病患者往往伴随着运动异常的问题，仅仅依靠实验无法准确判断导致运动异常的原因，同时，肌肉力等重要变量通常无法直接测得。肌肉骨骼（muscle-skeleton，M S）动力学模型4是一种基于动力学原理的数学模型，考虑详细的肌肉组织，能够计算骨与骨、骨与肌肉之间的运动学与力学信息,通过MS模型仿真,可以了解肌肉与骨骼之间的相互作用关系，个体化分析导致异常运动的原因。但MS模型存在一定的局限性，它只能得到关节处和肌肉的力学信息，无法获取组织内部的负载情况。有限元分析（finite element analysis,FEA）经常用于研究脊椎椎体、椎间盘等部位的应力应变、腰椎内固定术的受力情况，为手术方案的选择及植入物的设计提供科学指导。但这种方法需要设置材料参应用力学学报数以及施加边界条件，所施加的载荷、运动和边界条件对最终得到的结果影响巨大。目前有限元模型（fin ite e le m e n t,FE）的材料参数和边界条件的设置依赖于先前研究中提供的数据5，未考虑不同受试者动作特异性,或将导致最终结果与患者实际情况存在较大差异。MS与FE结合的方法可以根据特定人群或不同的运动姿势，对脊柱从肢体到组织水平的受力情况进行更准确的预测6 ,可以对受试者进行个性化仿真分析,对相关脊柱疾病（脊柱侧弯、腰椎间盘突出、下腰痛等)的治疗方案提供科学依据与指导,但目前针对脊柱疾病的 MS与 FE耦合模型的选择与设置均不相同，仍然缺少针对不同脊柱疾病应用的模型总结与综述。因此,本综述对国内外采用 MS 模型与 FE结合方法探究脊柱生物力学特征的研究进行检索。检索标准:musculoskeletal model,finite element(model/analysis）、s p i n e 等英文关键词组合对PubMed、W e bof Science、S c o p u s 等外文数据库进行检索；肌骨模型、有限元、脊柱组合等中文关键词,对 CNKI、维普期刊及超星期刊等中文数据库进行检索；检索范围限定在标题、关键词或摘要；不限时间范围。文献筛选依据为：排除综述类或会议文章；排除写作语言非中文或英文的论文；排除研究对象非腰椎的论文;排除研究方法中未将肌骨模型与有限元模型结合的论文；排除未明确使用的肌骨模型、有限元模型及载入方式的论文。根据上述文献检索及筛选标准,最终获得论文18 篇。总结基于这种耦合方法的原理、步骤、相关参数设置，以及其方法分析的脊柱运动学和力学特征结果，最终对其优势和局限性进行总结，为相关脊柱疾病的预防和治疗提供科学依据与指导，为未来脊柱生物力学领域研究提供方向。投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报第41卷第1期1模型构建方式MS模型通常简化椎间连接关节，无法得到细节（椎间盘等)位置的应力应变等信息。FEA能够通过影像建立具有腰椎组织结构模型，但其缺乏肌肉组织,且需要设置边界条件，不适合直接模拟活体的动态活动。因此,MS模型和FE模型结合是目前可行的补充工具和无创估计肌肉力和脊柱负荷的方法。通过对MS模型分类及设置（表1）总结发现，MS模型通常是使用Matlab算法或使用仿真软件建立，同时考虑运动学和关节载荷的平衡，来计算躯干肌肉力和关节内部载荷；其模型输出结果（如关节力、肌肉力、力矩、旋转角等）作为FE模型的输入，FE模型通常基于医学影像学建立，也可以通过肌骨Tab.1 Musculoskeletal model classification and related settings for spine studies应用MS模型青少年特发性脊柱侧弯（AIS）AIS 患者和正常人胸腰椎模型 7-8 躯干肌无力对侧肌肉菱缩腰椎运动学驱动和稳定性驱动模型 9 脊柱植人物驱干MSK模型 10 驱干肌骨模型 驱干MSK模型 12 下腰痛胸腰椎模型 13-14 胸腰椎模型 15-16 躯干MSK模型 17 驱干MSK模型 18 脊柱逆静态模型 19 TTA患者和正常人全身模型 2 0 AnyBody 模型 2 1维持腰椎健康腰椎和下肢模型 2 2 腰椎模型 2 3使用轮椅的下肢模型 2 4 注：RM为关节反应力矩；LF为韧带力；JF为关节力；MF为肌肉力；Gr为重力负荷；IAP为腹内压。投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报杜娟，等：基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展表1针对脊柱相关应用的研究分类及肌骨模型特征总结0/180N负重,4 0/6 5 前屈前屈6 0（IAP分别设置为正常和零）负重19.8 kg（靠近/远离）前屈30/5 0/全屈负重19.8 kg前屈7 0 直立站立、弯曲姿势、不对称提升和侧弯自然站立和6 0 前屈60前屈屈曲2 0 和伸展10 坐-站自然行走健康：18 个活动久坐不动：11个活动手提包、单肩背包、双肩背包平坦地面、斜坡和楼梯情景下使用轮椅235仿真软件直接导出腰椎的几何形状,最终通过FE模型仿真得到体外载荷条件下关节结构（椎间盘、关节面和韧带）之间的负荷分配、IDP、应力应变等信息（图1）。实验过程中为验证模型的准确性,通常会与相关研究得到的体内测量结果或先前模型仿真结果进行对比分析。这种MS模型与FE结合的研究方法，可以得到更加符合实际情况的建模仿真结果。最终得到的IDP等信息对于脊柱植入物的设计和测试,椎间盘损伤的预防和康复,脊柱侧弯、腰痛等疾病的治疗至关重要。通过FE方法建模骨骼、椎间盘、韧带等部分的材料属性（杨氏模量、泊松比）、网格划分方式有所差异，具体参数以及MS模型相关结果的载人方式见表2,其中关节力（JR）总结了椎间压缩力及椎间剪切力的大小，肌肉力为各肌群肌力的大小。动作直立站立直立站立伸、屈及左右横向弯曲模型分析变量MF,RM,GrMF.GrMFMF、骨盆旋转、GrMF,LF,GrMFGr和外部负荷、盆腔和躯干旋转角度MF、R M、L F.JF、G rMF,RM、L F.JFMF,RM,GrMF,RMJFMF、髋关节力MF、惯性载荷、JFL1,MF.JFJF236应用力学学报人体运动学分析组织内部载荷第4 1卷在体运动腰椎生物力学关节力/力矩肌肉力/力矩旋转角等施加外部负载设置边界条件Matlab优化算法/动作捕提运动学图1多尺度模型工作流程图（在体运动力学模拟配图来源于文献 2 5 ）Fig.1 Multi-scale model flow chart(in body motion lumbar biomechanics illustrated from reference 25)表2 针对脊柱研究的有限元模型相关设置Tab.2 Finite element model settings for spinal studies部位网格划分密质骨三节点 12,17-18 四面体 7-8 六面体 10,19,2 3 松质骨双节点桁架 2 1四面体 7-8,12,17-18 六面体 10,19 终板楔形六面体 19,2 3 环基质双节点 19 四面体 7.9 六面体 10,12,17-18,2 0 髓核四面体 7.9,12,17-1,2 0 流体 19 韧带注：E为杨氏模量；v为泊松比；MF为肌肉力；Gr为重力负荷；RM为反应力矩;JF为关节力;LF为韧带力；BW为体质量。其中有些文章的椎间盘纤维环使用Mooney-Rivlin超弹性材料，给出Cio、Co 1参数，本表中未对其进行详细说明。目前主要的治疗手段分为非手术和手术2 大类，为2#脊柱相关应用2.1脊柱功能异常疾病的应用研究脊柱侧弯是脊柱的一种非正常弯曲,青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是几种脊柱侧弯中最为常见的，总体发病率约为3%。根据医学影像学建立/肌骨模型导出材料属性(E/MPa、v)边界条件E:10 000 22 000负载(MF)V:0.2 0.484大小:3 5 2 0 N7,18;0.00 6 0.47 BW20施加位置：椎间盘几何中心 7-9 ；作为集中载荷施加于椎体【10 ；作为点载荷施加于肌肉插入点 12,17-18,2 0,2-2 3E:100 200负载(Gr)V:0.20 0.45大小：范围根据模型中定义的身体节段质量计算施加位置：椎间盘几何中心 9 ;作为集中力施加于椎体质心 12,15-17 2 0,2 ,E:软骨10 2 5；大小为模型中定义的身体节段重力椎体 12 0 0 0 2 3负载(JF)V:0.25 0.49大小:0.2 1 4.2 9 BW13,20,2施加位置：椎体终板区域 2 2-2 4 E:4.2 23负载(RM)V:0.30 0.45大小:-15 8 6 5 3.7 N mm7-8施加位置：椎间盘几何中心 7-8 E:1.021,23负载(LF)v:0.499 21大小;0.33 0.9 2%JF12,17施加位置：根据韧带方向施加于椎体相应解剖学位置 12,17 非线性张力连接元件约束:所有骨骼被完全约束 7-8,2 4 ;固定L512,17固定下终板，约束6E:7.8 750 23-24个方向自由度 2 2 V:0.3 23不同患者选择适合的治疗方案十分重要，为此,KA-MAL等 7 、XU等 2 6 基于1名青少年脊柱侧弯患者的CT图像建立AIS患者和正常人FE模型，用Mat-lab软件计算FE模型中的肌肉附着位置并以椎体为中心进行曲线拟合，建立MS模型。通过MS模型推出肌肉力和反应力矩并应用于L1-L4 FE模型,观察凹侧和凸侧生长板应力水平,发现脊柱侧凸L3-L4投稿网站：http:/微信公众号：应用力学学报负荷分配、IDP、应力应变等第1期和L4-L5椎间盘内压力高于正常模型。随后,减少凹侧胸最长肌（LGPT）和多裂肌（MFL）的肌肉生理学横截面积（PCSA）模拟单侧肌肉麻痹,最终发现：削弱凹侧LGPT和MFL肌肉强度可以降低脊柱凹侧压缩应力，减缓脊柱侧弯进展 8 。研究还发现,基于运动学驱动（KD）的MS模型用于研究躯干肌无力对脊柱负荷的影响是可行的 9 ,可用于脊髓神经肌肉疾病患者对侧肌肉萎缩评估。脊柱固定已经成为严重脊柱退行性疾病的1种综合治疗方法，如：脊柱侧弯，高级别脊柱滑脱等。目前,这种手术的成功率很高，但硬件故障和松动等术后生物力学并发症经常发生 2 7 ,植人物的应力应变被认为是生物力学并发症的重要指标,因此对其进行探究十分必要。PANICO10 团队通过开发和验证FE-MSK模型，探索简化（无跟随负载的纯矩）和实际负载条件在脊柱植人物（椎弓根螺钉和杆）应力方面的差异。为模拟脊柱后固定术,检测模型中将椎弓螺钉和杆插人 L1 和 L5 椎体之间的腰部区域。研究发现2 种负载条件下运动范围的差异较小，但真实负载条件下得到的后杆伸展和椎弓根螺钉的屈曲应力增加。然而,该研究的结论仅在1 种脊柱固定方式下得出，未来需要进一步使用不同的脊柱固定技术进行验证，以便有效预测植人物的磨损情况。2.2月腰痛预防及治疗的应用研究下腰痛（lowerback pain,LBP）在普通人群中很常见，是全球致残的主要原因之一 2 8 。在高强度重复脊柱运动的群体中（如体操运动员）,LBP的流行通常归因于生物力学因素 2 9-31。椎间盘和脊柱负荷的机械环境可能会诱发机械性LBP,更严重可能会导致脊柱损伤，例如：椎体骨折、椎间盘撕裂、终板损伤和异常椎间盘应力 。因此,研究日常活动中影响脊柱负荷的因素，脊柱运动学如何在组织（即椎间盘和小关节面）内进行负荷转移,有助于LBP的预防和治疗。与后凸相比,前凸姿势下背部肌肉活动显著增加,节段间压缩、剪切力以及L5-S1 关节突力均有一定提升,IDP略有增加 13。GHEZELBASH等 14 15 将MS模型得出参数分别作用于OFE（原始运动驱动的FE模型）、SFE（柔性梁轴向和横向力-位移特性被硬化）、HFE（完全忽略平移自由度的铰杜娟，等：基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展投稿网站：http:/德237链模型），通过比较模型的压缩和剪切负荷发现SFE和HFE模型预测的压缩和剪切载荷大于OFE,椎间平移自由度对脊柱负荷存在影响。模型相同的条件下,年龄、性别、身高和体重的变化对脊柱负荷也存在一定影响 16 ,在直立、屈曲、不对称提升和侧弯任务下,体重对L4-L5 和L5-S1 水平的脊柱负荷影响最大，其次是性别、身高，最后是年龄。调查现有的研究可知，前屈、不同坐姿时，髓核（NP)位置会略微移动。对L4-L5进行FE建模，将髓核位置分别后移0、1.5、2.7 mm,发现模型预测的压缩和剪切力均随髓核后移而下降 17 。用躯干MSK模型和腰骶韧带FE模型研究前屈6 0 时的椎间盘压力时发现,纳入腹内压（IAP）可以减少模型预测的整体肌肉力和IDP,椎间盘负荷的减少被韧带力的增加所补偿 12 ,其中IAP模型使用一个体积和压力恒定的圆柱体，大小限制为2 6.6 kPa。ZHU等 19 使用脊柱逆静态模型和FE模型,在屈曲2 0 和伸展10 的动作下确定了身高、脊柱取向和体重的偏差导致椎间旋转(（IVR)的最大变化分别达到19.2%、2 6%和4.2%。LIU等 18 研究前屈时L45P15、L 36 P2 4、L 2 0 P4 0 共3种腰-骨盆节律对脊柱负荷的影响。研究发现：高骨盆旋转和低脊柱屈曲节律涉及更多的全局肌肉,增加了椎间盘抵抗脊柱负荷的作用；低骨盆旋转节律,激活了更多的局部肌肉,并加人了韧带,以降低椎间盘负荷。腰盆腔节律对IDP和纤维环张力的影响较小。研究表明,脊柱前屈时的反应对腰-骨盆节律依赖性较高。有数据显示与普通人群相比，下肢截肢患者LBP患病率更高，在下肢截肢患者中量化脊柱负荷十分必要。HONEGCER等 2 0 对健康人和单侧胫骨截肢患者进行建模，探究坐-站期间2 类人群的脊柱负荷变化。发现TTA组的躯干肌肉力平均值高于健康组；TTA患者坐-站期间纤维环应力、关节面接触力以及IDP平均值均高于健全组。该研究忽略了2组受试者的年龄、身高、体重、性别等差异,未来值得进一步探索。腰椎间盘突出（lumbar disc herniation，L D H）是一种常见的腰部疾病，主要诱因为腰椎间盘各部分（尤其是髓核)发生不同程度的退行性病变后,加上外力因素作用导致纤维环破裂，髓核突出导致脊神经压迫产生腰痛等一系列症状。刘慧等 2 1 通过微信公众号：应用力学学报238AnyBody肌骨模型得到LDH患者附着在脊柱骨盆旁肌肉力和髋关节力，作用于正常和患者的L4-L5 椎间盘FE模型，发现正常模型的椎间盘和骶髂关节两侧应力差小于LDH模型。这一结果表明肌肉功能异常导致结构失衡,最终导致应力失衡,所以治疗过程中需要考虑肌肉软组织的影响，这为腰椎间盘突出的临床治疗提供新的思路。上述研究总结了前屈、负重等任务中对脊柱生物力学的认识,但仍存在一定局限性,如：为简化计算,MS模型考虑的脊柱节律在整个屈曲过程中保持恒定;FE模型的椎间盘纤维的建模有时会对韧带的建模参数 32 等进行简化,对应力应变的估计产生一定影响。未来,将对细节部分进行更加细致的建模与仿真，进一步揭示各种日常生活中人体组织水平负荷转移,以针对性治疗和有效预防生物力学因素引发的腰痛、椎间盘损伤等疾病。2.3日常生活维持脊柱健康的研究骨骼是人们身体中重要的组成部分，从出生起就在不断生长，青少年时期达到生长的黄金阶段，随着年龄的增长，4 0 岁后骨质会逐渐流失。脊柱骨质尤其需要重视，为保持肌肉骨骼健康，公共卫生组织建议每周至少进行2.5 h的中等强度运动，并且每周至少两天进行一些更高强度的活动。FAVIER等 2 2 基于一名健康人的MRI,在Opensim3.3中开发了全身MS模型，得出关节反作用力、肌肉力、惯性载荷等条件，作用于脊柱FE模型。FE模型同样基于MRI扫描结果,通过Mimics、3-m a tic、M a tla b 等软件进行处理并建模。探究2 种运动条件（久坐不动场景和健康生活方式）下刺激脊柱骨骼防止骨降解情况。通过骨骼适应算法在迭代过程中优化骨骼。对适应性脊柱骨结构分析，发现日常生活中仅中等强度的活动不足以提供机械刺激，维持脊柱骨骼健康需要更高强度的活动。需要注意的是，该方法建模时忽略了椎间盘、韧带、小关节等的平移自由度,这在将来的工作中可以进一步探索。ZHAO等 2 3 探究了日常生活中3种不同的背包方式下（手提包，单肩包和双肩包）腰椎和椎旁肌肉力的生物力学特性。通过OpenSim模型库中已经过开发验证的MS模型得到L1椎旁肌肉力、椎间压缩力和剪切力，并加载到FE模型。腰椎FE模型通过应用力学学报1名男性健康受试者的 CT图像建立,并使用 Solid-Works建立椎间盘，在Hypermesh中进行网格划分，最后导人Abaqus评估椎体应力。研究发现相同重量下，不平衡的提包方式（手提包和单肩包)会产生更大的肌肉力和腰椎关节力,在生活中应尽量避免。ZHU等 2 4 使用3个测试环境下采集的运动学数据,对AnyBody7.2现有的下肢MS模型重新建模,基于1名健康的中年女性 CT数据建立包括L5、髋骨及右股骨的FE模型。将MS模型得到的关节力施加于FE模型，发现3种环境下使用轮椅时L5应力分布无显著差异。然而该研究并未说明其它腰椎阶段的应力分布情况，且忽略了肌肉、韧带等结构对腰椎应力的影响。3总结与展望本综述全方位阐述了MS模型与FE模型结合的方法在脊柱相关疾病方面的应用研究进展。内容涵盖了该方法在脊柱侧弯、下腰痛、腰椎间盘突出等疾病中的应用及重要结论，同时总结了使用的肌骨模型、针对动作以及有限元建模所需参数、边界条件等信息。这些研究的主要内容为受试者进行某种动作时,在关节反作用力、椎旁肌肉力、重力等因素的共同作用下，得到脊柱应力应变分布、IDP等力学信息。这些信息较为真实地反映了运动时脊柱关节的受力情况，具有很高的临床应用价值，可以为椎间植物的设计、下腰痛及椎间盘损伤引发的一系列疾病提供治疗和康复指导，同时可以制定个性化的运动方案以维持脊柱健康,监测与评估脊柱健康状况。但是,这种方法在面向临床上大样本的应用，仍存在如下几个挑战。1)模型构建时间较长。目前的大多研究都需要对受试者分别建立MS与FE模型,这导致前期建模工作量大，时间长，且不同的人员建模存在人为误差，缺少被试数量较大情况下的快速建模方法。通过建立机器学习模型，或者建立自动连接肌骨模型输人与输出算法或许可以解决上述问题。目前也有些研究建立了MS-FE耦合模型 33,将肌肉信息加人FE模型，可以直接得到肌肉力以及应力应变，大量节省计算时间，也避免了MS模型的力学信息施加至有限元模型时坐标系的匹配问题，这也是值得考投稿网站：http:/微微信公众号：应用力学学报第4 1卷第1期虑的方法之一。2)研究的动作较为单一。现有研究大多是基于自然站立、前屈后伸某一角度等静态动作,或者负重等简单动态动作的研究，实际生活中的运动远不止于此。之后可以通过肌骨模型与有限元结合的方式，针对日常生活中更复杂的运动进行探究，更为全面地了解日常生活涉及的运动的脊柱力学机制。3)模型有效性验证。基于MS模型与有限元结合方法的研究通常需要分别对MS模型和有限元模型进行验证。对于MS模型，常通过模型仿真得到的肌肉激活度与表面肌电信号进行直接验证,或将关节力、力矩等信息与之前文章报道的结果对比间接验证。而有限元模型则是通过在体植入实验测得的IDP等参数或与相关研究中报道的ROM、应力云图等参数进行对比,验证其有效性。但是此种有创伤植入的验证方式，无法对每个性化模型进行验证。因此,未来呕需建立无创的适用于个体化肌骨模型与有限元耦合模型的验证方式。参考文献：1 NACHEMSONA L F,MORRIS J M.In vivo measurements of in-tradiscal pressure:Discometry,a method for the determination ofpressure in the lower lumbar discs J.The Journal of bone&jointsurgery,1964,46(5):1077-1092.2 NACHEMSON A.The effect of forward leaning on lumbar intradis-cal pressure J.Acta orthopaedica Scandinavica,1965,35(1/2/3/4):314-328.3ROHLMANN A,DREISCHARF M,ZANDER T,et al.Monitoringthe load on a telemeterised vertebral body replacement for a periodof up to 65 months J.European spine journal,2013,22(11):2575-2581.4 梅齐昌，顾耀东，孙冬，等.基于影像学构建个体化OpenSim下肢肌骨模型的生物力学研究应用进展J.医用生物力学，2020,35(2):259-264.MEI 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