肌肉骨骼模拟中的嵌入式磨损评估：在全髋关节置换术中的概念验证应用

预测人工关节磨损需要整合关节动力学、接触力学和逐步表面演化过程，然而这些过程通常被分开处理。在全髋关节置换术（THA）中，有限元方法仍是参考标准，但其计算成本较高，且通常依赖于独立肌肉骨骼（MSK）模型提供的边界条件，从而妨碍了磨损进展与运动动力学之间的一致耦合和反馈。作为单受试者概念验证研究，我们提出了一种通过 OpenSim-MATLAB 集成，将磨损估计嵌入正向肌肉骨骼模拟的计算框架。采用弹性基础模型计算接触变量，并通过 Archard 定律更新磨损，从而在单一工作流程中以实际可行的计算成本，实现接触力学与表面演化的循环预测。该框架在一名接受右侧全髋关节置换术的受试者中进行了评估，涵盖五项日常生活活动，并与有限元模拟结果进行了数值基准比较。此外，还开展了 400 万个循环的长期步行分析，以评估几何形状更新的影响。在各项任务中，峰值接触压力与有限元预测结果的偏差均控制在 7% 以内。线性磨损深度和体积损失的最大偏差分别为 16% 和 13%。考虑逐步几何变化后，最大磨损深度较线性外推结果降低约 31%。这些初步结果表明，就所测试病例而言，该框架具有可行的计算性能和良好的数值一致性；然而，在开展更广泛的预测性或临床应用之前，仍需进行多受试者评估。

预测人工关节磨损需要整合关节动力学、接触力学和渐进式表面演化过程，然而这些过程通常被分开处理。在全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）中，有限元方法仍是参考标准，但其计算成本较高，且通常依赖于独立肌肉骨骼（musculoskeletal，MSK）模型提供的边界条件，从而难以实现磨损进展与运动动力学之间的一致耦合和反馈。作为一项单受试者概念验证研究，我们提出了一种计算框架，通过 OpenSim-MATLAB 集成，将磨损估计嵌入正向肌肉骨骼模拟中。采用弹性基础公式计算接触变量，并通过 Archard 定律更新磨损，从而在单一工作流程中以实际可接受的计算成本，循环预测接触力学与表面演化过程。

该框架在一名接受右侧全髋关节置换术的受试者中进行了评估，涵盖五项日常生活活动，并通过有限元模拟进行了数值基准验证。此外，还开展了 400 万个循环的长期步行分析，以评估几何形状更新的影响。在各项任务中，峰值接触压力与有限元预测结果的差异均保持在 7% 以内。线性磨损深度和体积损失的最大偏差分别为 16% 和 13%。考虑渐进式几何形状变化后，最大磨损深度较线性外推结果低约 31%。这些初步结果表明，对于所测试的病例，该框架在计算可行性和数值一致性方面具有一定优势；然而，在更广泛地用于预测或临床应用之前，仍需开展多受试者评估。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.31.748225v1?rss=1

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