骨肌多体动力学模型是将工程里的多体动力学技术应用于人体肌肉骨骼系统来模拟人体各种生理活动下骨肌生物力学环境的人体模型。该模型主要包括人体骨骼几何模型、骨骼上附着的肌肉模型以及关节周围软组织如韧带模型。经过实验验证后的骨骼肌肉多体动力学模型可用于模拟行走步态、上下楼梯、下蹲等各种人体的日常生理活动，并计算获得关节力、关节角、肌肉作用力等人体内重要的生物力学信息。因此，骨肌多体动力学模型为医学工程领域的研究提供了重要的仿真分析平台，特别在人工植入物的设计开发、功能评估和失效分析方面更是必不可少。

为了开发和评估新的人工膝关节、分析研究现有膝关节假体的失效机理，将骨肌多体动力学模型应用于人工膝关节的研究中至关重要。基于弹性基理论和依赖于力的运动学分析技术，我们将人工膝关节模型成功整合到人体下肢骨骼肌肉模型中，建立了个体化人工膝关节置换的下肢骨肌多体动力学模型。该模型考虑了人工膝关节的关节面几何形貌和柔性的胫股关节接触和髌股关节接触属性，还考虑了精确的个体化患者下肢骨肌模型和详细的膝关节韧带模型。开发的模型可预测步态周期内胫股关节内侧和外侧接触力，髌股关节接触力，并同时预测膝关节运动、肌肉力和韧带力。通过多患者多步态周期模拟仿真及通用性验证，所开发的个体化人工膝关节置换的骨肌多体动力学模型可靠有效，可以应用于人工膝关节临床问题和假体设计方面的参数研究。而其中所开发的个体化骨肌建模技术，可针对国人患者的个性化解剖特征，建立精确的个体化骨肌模型，为国内医生实施各种精准医疗方案提供科学的骨肌力学分析平台。

人工膝关节临床校准是医生关心的重要问题。基于开发的人工膝关节置换的骨肌多体动力学模型，通过研究患者行走步态条件下不同安装角误差对膝关节生物力学的影响发现，2°的胫骨衬垫或股骨部件的内外翻安装角误差和 3°股骨部件的内外旋安装角误差显著的改变了胫股关节内外侧承载分布和总的胫股关节接触力。内翻安装误差显著增加了膝关节内侧的承载力，进一步可能会导致内侧骨塌陷、胫骨托盘固定界面破坏以及胫骨衬垫的磨损加剧。而股骨部件内旋误差导致胫股关节接触力和髌股关节接触力的增加，这些力学变化与患者不满意及疼痛水平有直接关系。因此，医生应当谨慎的避免膝关节置换手术时假体的安装误差大于 3°，而冠状面的内翻膝安装误差更应控制在 2°以内。研究还表明，身体胖的患者在安装不良条件下的假体失效风险更大，对于这类患者医生应当更加谨慎。根据这些研究，医生可以结合临床观察报告，从膝关节生物力学角度深层次全面的理解校准不良问题。

除了人工膝关节校准不良，假体设计的差异也会影响置换术后的效果和患者满意度。基于人工膝关节置换的骨肌多体动力学模型进一步研究发现，人工膝关节的几何设计差异不仅改变了膝关节接触力，还影响了膝关节二次运动及韧带作用力。相比后交叉韧带保留型（CR型）假体，后交叉韧带替代型（PS型）的衬垫凸桩设计限制了膝关节的内外旋、内外翻和前后平移运动，获得较小的内外旋活动度和前后平移运动。同时PS型膝关节假体置换导致的内侧旁系韧带力和外侧旁系韧带力均显著小于CR 型的预测值。特别地，多个目前用在临床上的膝关节假体设计的预测结果表明行走步态周期内膝关节的内外旋转中枢在外侧，而不是绕内侧髁旋转的。因此，当前热议的人工膝关节内轴旋转设计理论是否符合所有生理活动有待验证。

本团队利用建立的个体化人工膝关节置换的骨肌多体动力学模型，对临床校准问题和假体设计方法进行了初步的应用研究。在今后的研究中，人工膝关节置换的骨肌多体动力学模型还将应用于研究机械校准和运动学校准方法差异、软组织平衡及不同手术规划方案的生物力学影响，还有人工膝关节设计理念差异、关节力学匹配、患者个性化解剖特征差异等问题，从骨肌动力学角度为医生改善临床结果提供科学依据和数据参考。

作者简介：

靳忠民，国家“千人计划”特聘教授，长江讲座教授，杰青(B)；西南交通大学机械学院教授，利兹学院院长；英国利兹大学医学生物工程研究所客座教授，西安交通大学机械学院客座教授。中华医学会骨科学分会基础组副组长, 中国医师协会骨科医师分会基础组副组长,中国生物材料学会骨修复材料与器械分会委员，中国机械工程协会摩擦学分会理事。担任国际期刊（Cogent Biomedical Engineering）主编，3个国际期刊（Journal of Tribology, ASME；Friction；Biosurface and Biotribology）副主编，3个国际期刊（Medical Engineering and Physics； Journal of Engineering Tribology, IMechE；Journal of Bionic Engineering）编委。1983年在西安交通大学机械工程系本科毕业，1988获英国利兹大学生物医学工程博士，2004-2010任英国利兹大学机械学院教授。主要研究领域：生物摩擦学、人工关节设计与制造、生物制造等。曾获英国摩擦学铜奖、中国机械工业科学技术奖二等奖。发表SCI收录论文265余篇，被引用超过3525次，h-index为29。