案例 | Adams 仿真帮助诊断膝盖病

高精度膝关节模拟：利用Adams与Simulink实现膝关节内部运作的深入探索


背景与研究背景

膝关节作为人体移动链中的关键节点，其稳定性和功能性对于维持人体活动的效率和安全至关重要。然而，胫骨与股骨间的连接几何约束相对薄弱，使得膝关节的高度依赖于复杂的软组织结构，诸如肌肉、韧带与半月板，以提供额外的支持与稳定。




迄今为止，这些结构的详细工作模式仍然充满未知。尽管存在大量的理论和实践经验，越来越多的证据提示通过多体动力学仿真能更深入地理解膝关节的动力学行为。特别是在预期手术规划、膝关节疾病的诊断及治疗方法的优化方面，实现精确的模拟模型至关重要。

解决方案与关键点

为了所述研究目标的实现，密苏里大学 Mizzou 运动分析中心（MAC）的研究团队选择将 MSC Software 公司的Adams多体动力学仿真解决方案作为核心工具。其目的不仅在于评估短期的实验结果与模型仿真的一致性，更在于提供精确的内部接触力预测以及对半月板特性（诸如松弛度）的评估。

软件的多体动力学仿真能力被应用于构建全面且精细的膝关节模型。这一体系的核心包括：

数据整合与模型构建：研究团队精确记录运动数据，利用运动捕捉系统监控物理实验进行时的关节位移，结合核磁共振（MRI）获取软组织结构的信息，并通过力板监控地面接触力，同时EMG监控肌肉活动。所有这些数据被用于创建高度精确的Adams模型。

仿真过程与效果验证：通过仿真模型，研究团队能够在实验室环境下重现物理运动的结果，特别关注于关节、膝部接触力与韧带的动态负荷。数据集的准确匹配度超过90%，同时还能够预测内部接触力及半月板松弛度的影响，为未来的研究提供了稳固的理论基础。

Adams与Simulink集成的协作作用：通过与Simulink数据整合的工作流程，研究团队能够实施更全面、更准确的膝关节动力学分析。这一核心技术规范了在研究过程中获取的精心数据可以有效指导仿真模型构建的原则。

研究产出与长远影响

复杂性解释：借助Adams仿真，研究人员能够逐步理解半月板的复杂功能，特别是在理想长度与其生物力学机能之间的关系。发现随附着带长度增加，半月板的生物力学机能降低，为科学和临床提供了有价值的信息，帮助在预防和治疗膝部损伤、优化康复程序方面采取更加精准的决策。

未来方向：基于Adams的成功应用及研究产出，MAC可预见的技术革新将可能显着提升现有方案，特别是对于膝关节疾病的诊断与外科手术方法改进的可能，有望进一步改善整个健康的管理和康复领域。