AnyBody　应用案例

#1 .扩展模型：从默认单自由度旋转关节模型（1自由度），到球型关节模型+内外翻模型

通常，生物力学中使用的膝盖模型仅考虑单方向的旋转，即屈曲/伸展动作。

在这个扩展模型中，导入了虚拟肌肉来模拟其他自由度方向的约束。

该模型在普通膝盖模型的基础上，增加了以下功能：

a) 增加膝盖的3轴运动能力（屈曲/伸展 + 内外翻动作及绕轴旋转）
b) 在内外翻自由度上增加了股骨和胫骨间接触反力的监测

这样，内外翻方向的力矩更符合人体的实际情况。

该模型使用了AnyBody的力元素功能（AnyGeneralMuscle）。内外侧的接触由多点构成，考虑到了各接触区域的力的分配（见下图），并且验证了接触力的合理性。

本模型方法已在以下论文中得到验证：

“The effects of knee pain on knee contact force and external knee adduction moment in patients with knee osteoarthritis”
MomokoYamagata　MasashiTaniguchi　HiroshigeTateuchi　MasashiKobayashi　NoriakiIchihashi Journal of Biomechanics、Volume 123, 23 June 2021, 110538

此外，本模型方法与开发商在以下论文中提供的比较结果（实测与模型）一致。

※）“Relationship between knee joint contact forces and external knee joint moments in patients with medial knee osteoarthritis: effects of gait modifications “　・・・R.E. Richards , M.S. Andersen , J. Harlaar , J.C. van den Noort , Osteoarthritis and Cartilage 26 (2018)

#2 .更高级别的膝盖模型:(knee_grand_challenge_4th中的模型)

在本模型中，尽可能地模拟真实的膝盖结构。具体包括以下内容：

・　FDK模型
・　韧带模型
・　接触元素模型
・　患者的骨骼形状（STL文件）

本模型参考了以下链接中的数据库： Grand Challenge Competition to Predict In Vivo Knee Loads (链接→　 ：https://simtk.org/projects/kneeloads )

该数据库包含了患者的骨骼和人工植入物的STL文件，以及以C3D文件格式存储的患者动作捕捉数据。

此外，还提供了与人体模型定制相关的文件，特别是骨骼缩放、肌力调整和韧带组成等方面的内容。

分别参考了以下开发商网页:

FDK模型链接→：Force-Dependent Kinematics
韧带模型链接→:Ligament
接触元素链接→：Using Contact Forces to Replace a Joint in a Human Model
→：Cleaning and Preparing STL Surfaces for Contact Calculation
骨骼形状映射：→：Including a custom scaling function into your model

根据本模型的功能，以下功能得以实现，并可以进行更详细的分析（输出：内外翻接触力，各韧带张力）。

①从较大动作开始（计算关节中心不偏移），先用普通逆动力学计算出内力（肌肉力、关节力等）
②在步骤1的力条件下，反复计算以下元素，直到达到平衡：
a)被动元件（韧带）
b)同为被动元件的内侧、外侧韧带接触力(

并反复计算关节中心的移位，即a)的伸长量和b)的接触面积
③作为被动元件，计算出：
a. 韧带的张力
b. 内侧和外侧韧带的接触力
④根据患者固有的骨骼形状，考虑肌肉附着位置、关节中心、肌肉的包裹部位

#3 . AnyKnee：

AnyKnee 是一款独立模型，引入了两种膝关节，可以替代 AnyBody 中使用的普通铰链关节。这些膝关节包括：可伸缩的移动轴膝关节和基于股骨髁表面拟合的铰链膝关节。

这两个例子只是一个起点，实际上，您可以实现任何用户自定义的膝关节。

这些示例可以帮助用户开发独特的膝关节类型，并将其集成到 AnyBody 中。

您可以通过以下链接在 GitHub 上获取该模型：　→　https://github.com/AnyBody/anyknee

肌肉骨骼系统膝关节模型的复杂程度可以根据质量和计算时间的需求从简单的一般模型（如铰链模型）到复杂的被试特定模型（如多体接触模型）进行选择。选择模型的复杂程度取决于您的研究课题以及对膝盖运动学的现实性需求。需要高度现实运动学的研究，例如病理学研究（如膝骨关节炎，KOA等）和人工植入物的生物力学设计，通常需要更复杂的模型。

移动轴关节模型基于胫骨与股骨在大约0度和90度弯曲角度时的关节位置，将关节轴设计为随屈曲角度在两个位置之间线性移动。该模型的创新之处在于，它不仅提供了比传统铰链模型更现实的关节运动学，还允许使用特定于受试者的几何体进行计算，从而在计算效率上优于更复杂的多体接触模型。这使得移动轴模型在临床应用中更具可行性。

更多详细信息，请参阅《Journal of Biomechanics》的相关出版物。

Dzialo CM, Pedersen Heide P, Simonsen CW, Krogh K, de Zee M, Andersen MS., 2018, “Development and validation of subject-specific moving-axis tibiofemoral joint model using MRI and EOS imaging during a quasi-static lunge,” J Biomech 2018., 72, p.71-80.

#4. Knee Simurator：

Knee Simulator 是一个使用人工植入物和力依赖运动学（FDK）的膝盖模拟模型。 →https://anyscript.org/ammr-doc/auto_examples/Orthopedics_and_rehab/plot_KneeSimulator.html

这是一个与Kansas膝盖模拟装置原理相似的独立模型。

该模型是作为独立模型构建的，不依赖于模型库（AMMR）的元素和身体部件。

人工膝关节全置换手术（TKR）植入物的数据来自第六届 Grand Challenge 竞赛，用于预测人体膝盖的负荷。

＜Segment＞

模型由五个主要部分组成：股骨、髌骨、胫骨、脚踝固定具和髋关节固定具。实际上，模型中包含了更多的部件。股骨和胫骨的质量被设计为单独的体节，以便于计算转动惯量。同样，脚踝和地面段之间的球形横向构造采用三个体节，通过旋转接头和滑动接头连接。

＜韧带＞

韧带使用一维非线性弹性弹簧元件进行建模。为了避免韧带贯穿骨头或人工植入物的表面，采用各种几何形状（如圆柱、椭圆体等）进行包裹。韧带的特性基于文献 [2] 和 [3] 的数据。