用于计算脑瘫步态肌肉骨骼负荷的通用比例模型与受试者特定模型:个性化肌肉骨骼几何学的影响超过个性化神经控制的影响

  • 汉斯·凯恩兹
    一致
    通讯作者:维也纳大学运动科学与大学运动中心,运动中的生物力学、运动机能学和计算机科学系,Auf der Schmelz 6a, 1150 Vienna, Austria。
    隶属关系
    运动科学和大学运动中心,运动中的生物力学、运动机能学和计算机科学系,神经力学研究小组,维也纳大学,奥地利
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  • 玛丽丝卡·韦瑟林
    隶属关系
    比利时鲁汶大学人体运动生物力学研究小组

    机械、海事和材料工程学院,生物力学工程系,生物机电一体化和人机控制,荷兰代尔夫特理工大学
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  • 伊尔斯·琼克斯
    隶属关系
    比利时鲁汶大学人体运动生物力学研究小组
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开放获取发表:2021 年 6 月 1 日内政部://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2021.105402

      强调

      • 建模框架对关节运动学和动力学影响很小。
      • 模型之间肌肉力量的平均差异低于 0.2 体重。
      • 模型之间关节接触力的平均差异高达 2.2 倍体重。
      • 个性化的几何形状、肌电图数据和步态模式会影响结果。
      • 建模选择不影响基于整体差异的临床推理。

      抽象的

      背景

      肌肉骨骼建模用于评估步态期间的肌肉骨骼负荷。线性缩放方法用于为每个参与者的人体测量学个性化通用模型。这种方法引入了简化,尤其是在儿科和/或病理人群中使用时。本研究旨在比较肌肉骨骼模拟的结果,使用各种模型,从线性缩放到高度特定于主题的模型,即包括参与者的肌肉骨骼几何和肌电图数据。

      方法

      分析了一名正常发育儿童和三名脑瘫儿童的磁共振图像 (MRI) 和步态数据。使用四个建模框架进行肌肉骨骼模拟以计算关节运动学、关节动力学、肌肉力和关节接触力:1) 具有静态优化的通用缩放模型,2) 具有肌电图通知方法的通用缩放模型,3) MRI-基于静态优化的模型,以及 4) 基于 MRI 的模型,采用肌电图知情方法。

      发现

      通用缩放模型和基于 MRI 的模型之间的关节运动学和动力学的均方根差异分别低于 5° 和 0.15 Nm/kg。每个参与者所有肌肉的均方根差异均低于 0.2 体重。不同建模框架之间关节接触力的均方根差高达 2.2 倍体重。将典型发育儿童的模拟结果与脑瘫儿童的模拟结果进行比较,发现所有建模框架的均方根差异相似。

      解释

      在我们的参与者中,基于 MRI 的模型对关节接触力的影响高于包括肌电图的影响。基于健康和病理参与者之间肌肉骨骼模拟结果的总体均方根差异的临床推理不太可能受到建模选择的影响。

      关键词

      1. 介绍

      肌肉骨骼模拟已被用于回答有关儿科和病理人群肌肉骨骼负荷的研究问题。
      • 凯恩斯 H.
      • 基伦 B.A.
      • 韦斯林 M。
      • Perez-Boerema F.
      • 皮托·L。
      • 加西亚·阿斯纳尔 J.M.
      • 谢菲尔宾 S.
      • 琼克斯 I。
      多尺度建模框架将肌肉骨骼刚体模拟与自适应有限元分析相结合,以评估股骨几何形状对髋关节接触力和股骨骨生长的影响。
      ;
      • 斯蒂尔 K.M.
      • 范德克罗格特
      • 施瓦茨 M.H.
      • 德尔普 S.L.
      蹲下走路需要多少肌肉力量?
      ;
      • 韦斯林 M。
      • 迈耶 C.
      • 科尔滕 K。
      • 西蒙 J.-P.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 琼克斯 I。
      手术方法或假体类型会影响术后一年的髋关节负荷吗?
      )。通常,根据成人的尸体数据开发的通用肌肉骨骼模型会缩放到儿童的人体测量学(
      • 德尔普 S.L.
      • 安德森足球俱乐部
      • 阿诺德 A.S.
      • 贷款P。
      • 哈比·A
      • 约翰 C.T.
      • 冈德曼 E.
      • Thelen D.G.
      开放模拟:用于创建和分析运动动态模拟的开源软件。
      )。该程序忽略了特定于受试者的肌肉骨骼几何形状,例如,特定于受试者和年龄的股骨颈轴角度(
      • 鲍勃罗夫 E.D.
      • 钱伯斯 H.G.
      • 赛多利斯 D.J.
      • 怀亚特议员
      • 萨瑟兰 D.H.
      脑瘫患儿的股骨前倾角和颈干角。
      )。为了克服这些限制,可以从参与者的医学图像中生成肌肉骨骼模型(
      • 凯恩斯 H.
      • 摩德内塞 L.
      • 劳埃德 D.G.
      • 缅因州
      • 沃尔什·H.P.J.
      • 卡蒂 C.P.
      基于临床直接运动学与逆运动学步态模型的关节运动学计算。
      ;
      • 谢斯L。
      • 范坎彭豪特 A.
      • 西班牙人 A.
      • 苏滕斯 P.
      • 琼克斯 I。
      在股骨前倾角增加的情况下,基于个性化 MR 的肌肉骨骼模型与重新调整的通用模型相比:对髋关节力矩臂长度的影响。
      ;
      • 瓦伦特·G。
      • 克里米 G。
      • 瓦内拉·N。
      • 斯基莱奥
      • 塔迪·F。
      nmsBuilder:为 OpenSim 创建特定主题的肌肉骨骼模型的免费软件。计算。
      )。在脑瘫 (CP) 儿童中,只有少数研究将通用量表与基于医学影像的模型进行了比较。这些研究报告了肌肉力矩臂的差异(
      • 科雷亚 T.A.
      • 贝克R。
      • 克尔·格雷厄姆 H.
      • 潘迪 M.G.
      通用肌肉骨骼模型在预测肌肉在人类步态中的功能作用方面的准确性。
      ;
      • 谢斯L。
      • 范坎彭豪特 A.
      • 西班牙人 A.
      • 苏滕斯 P.
      • 琼克斯 I。
      在股骨前倾角增加的情况下,基于个性化 MR 的肌肉骨骼模型与重新调整的通用模型相比:对髋关节力矩臂长度的影响。
      ), 髋关节接触力方向 (
      • 博斯曼斯 L。
      • 韦斯林 M。
      • 德斯卢维尔 K.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 谢斯L。
      • 琼克斯 I。
      在正常和病理步态期间存在异常骨骼几何形状时的髋部接触力。
      ) 和关节运动学 (
      • 谢斯L。
      • 德斯卢维尔 K.
      • 西班牙人 A.
      • 苏滕斯 P.
      • 琼克斯 I。
      使用基于 MR 的运动学模型计算步态运动学。
      ) 在通用缩放模型和基于医学成像的模型之间。
      尽管上述研究中基于医学成像的模型可以解释异常的肌肉骨骼几何形状,但他们忽略了脑瘫 (CP) 儿童中存在的运动控制受损。受损的运动控制不会影响计算的关节运动学和动力学,但可能会影响肌肉和关节接触力 (JCF) 的估计。肌肉力量通常使用静态优化来估计,静态优化假设肌肉力量分布算法中的个体和任务之间的神经肌肉控制策略相同。然而,这种方法可能不适合患有神经系统疾病的参与者。将参与者收集的肌电图 (EMG) 数据包括在肌肉力量估计中可以克服这一限制(
      • 劳埃德 D.G.
      • 贝西尔 T.F.
      EMG 驱动的肌肉骨骼模型,用于估计体内肌肉力和膝关节力矩。
      ;
      • 韦斯林 M。
      • 凯恩斯 H.
      • 霍克斯特拉 T.
      • 范罗森 S.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 德格鲁特 F.
      • 琼克斯 I。
      肉毒杆菌毒素注射对脑瘫儿童步态过程中模拟的肌肉力量影响最小。
      )。使用这种所谓的 EMG 知情方法获得的肌肉激活谱已被证明更类似于测量的 EMG 信号。
      • 黄海霞
      • 皮佐拉托 C.
      • 钻石 L.E.
      • 劳埃德 D.G.
      神经肌肉参数的特定主题校准使神经肌肉骨骼模型能够估计健康成人生理上合理的髋关节接触力。
      )。尽管有这些优势,但很少有研究在研究 CP 儿童时应用 EMG 知情方法。
      • 法利斯 A.
      • 皮托·L。
      • 凯恩斯 H.
      • 黄H。
      • 韦斯林 M。
      • 范罗森 S.
      • Papageorgiou E.
      • Bar-On L.
      • 哈勒曼 A.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 范坎彭豪特 A.
      • 德格鲁特 F.
      • 琼克斯 I。
      基于物理的模拟预测运动控制和肌肉骨骼缺陷对脑瘫步态功能障碍的不同影响:回顾性案例研究。
      ;
      • 凯恩斯 H.
      • 黄H。
      • 皮托·L。
      • 韦斯林 M。
      • 范罗森 S.
      • 范坎彭豪特 A.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 德格鲁特 F.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 琼克斯 I。
      选择性背根切断术可改善痉挛性脑瘫儿童行走时的肌肉力量。
      ;
      • 维尔坎普 K.
      • 沙利格 W.
      • 哈拉尔 J。
      • 皮佐拉托 C.
      • 卡蒂 C.P.
      • 劳埃德 D.G.
      • 范德克罗格特
      肌电图辅助建模对估计脑瘫儿童步态肌腱力的影响。
      )。此外,据作者所知,没有研究将基于医学成像的模型与基于 EMG 的方法相结合来估计几何与运动控制对肌肉和 JCF 估计的影响。
      为了评估工作流程之间差异的相关性,我们需要考虑它们对临床推理的影响。在临床环境中,患者数据通常与健康人群的参考数据进行比较。因此,已经提出基于患者和健康参考波形之间的均方根差 (RMSD) 的测量来总结关节角度。
      • 贝克R。
      • 麦金利 J.L.
      • 施瓦茨 M.H.
      • 贝农 S。
      • 罗祖马尔斯基 A.
      • 格雷厄姆香港
      • 蒂罗什·O。
      步态轮廓得分和运动分析轮廓。
      ), 关节力矩 (
      • 西莫林 V。
      • 康多卢奇 C.
      • Costici P.F.
      • 加利M。
      一个动力学总结测量的提议:步态动力学指数。
      ) 和肌肉力量 (
      • 凯恩斯 H.
      • 黄H。
      • 皮托·L。
      • 韦斯林 M。
      • 范罗森 S.
      • 范坎彭豪特 A.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 德格鲁特 F.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 琼克斯 I。
      选择性背根切断术可改善痉挛性脑瘫儿童行走时的肌肉力量。
      ) 偏差以支持临床决策以恢复步态和肌肉骨骼负荷。就患者波形和参考波形之间的 RMSD 而言,建模框架对临床推理的影响尚未得到全面研究。
      在临床环境中,由于缺乏资源(即时间、金钱、知识、有限的注意力和儿童的容忍度),收集必要的数据并生成完全特定于主题的模型几乎是不可能的。因此,了解排除特定主题信息对模拟结果的影响对于选择合适的建模框架仍然允许回答临床研究问题至关重要。因此,本研究的目的是比较高度特定于主题的模型的模拟结果,其中包括参与者的肌肉骨骼几何和 EMG 数据,以及不太复杂的通用几何和运动控制模型。考虑到包含 EMG 数据不会影响关节运动学和动力学,而包含 MRI 数据将对所有肌肉骨骼模拟结果(从关节运动学到接触力)产生影响,我们假设包含个性化几何(MRI 数据)与包含个性化神经控制(EMG 数据)相比,对模拟结果的影响更大。此外,我们评估了建模选择对 CP 儿童和典型发育参与者之间的 RMSD 临床推理的影响。

      2. 方法

      2.1 参与者

      一名典型发育 (TD) 儿童和三名患有 CP 的儿童的步态数据和磁共振图像 (MRI)(表格1) 被分析用于本研究。 CP 参与者涵盖了大范围的股骨几何形状和痉挛评分的临床相关偏差。在 CP 参与者中,使用改良 Ashworth 量表评估下肢肌肉痉挛。
      • 博汉农 R.W.
      • 史密斯 M.B.
      改良的 Ashworth 肌肉痉挛量表的评分者间可靠性。
      )。从当地伦理委员会 (UZ Leuven, Belgium, S57746) 获得伦理批准。
      表格1参与者的人体测量参数和痉挛评分的总结。痉挛采用改良 Ashworth 量表分级。 R = 右; L = 左CP = 脑瘫; ♂ = 男性; ♀ = 女。使用定制的 Matlab 代码从 MRI 图像的分段股骨测量前倾角和颈轴角。
      TDCP1CP2CP3
      性别
      年龄(岁)814915
      高度(米)1.241.441.311.71
      重量(公斤)20.443.432.249.1
      诊断健康双侧CP双侧CP双侧CP
      股骨几何RLRLRLRL
      前倾角 (°)18.225.533.921.039.730.923.122.0
      颈轴角 (°)127.0133.6139.9136.9127.0134.4132.3126.2
      痉挛RLRLRLRL
      髋屈肌11.51011
      髋内收肌1.51.5001.51
      腘绳肌1.51.51.51.51.52
      比目鱼11.51.51.51.51.5
      腓肠肌221.51.522
      胫后肌000010
      总体得分00785.54.58.57.5

      2.2 动作捕捉

      Vicon Plug-in-Gait 下肢标记套装(
      • 卡达巴议员
      • 罗摩克里希南香港
      • 伍腾 M.E.
      水平行走过程中下肢运动学的测量。
      ) 在大腿和小腿上额外放置了三个标记簇,并在每个参与者的第 5 跖骨头上放置了一个额外的足部标记。使用 8-15 相机运动捕捉系统(Vicon Motion Systems,牛津,英国)和两个测力板(AMTI,Watertown ,马萨诸塞州,美国)。同时,使用 16 通道 EMG 系统(Zerowire,Cometa,Italy)收集 EMG 数据。在 CP 参与者中,双侧收集以下下肢肌肉的表面 EMG 信号:股直肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌、胫前肌、腓肠肌内侧、比目鱼肌和臀中肌。 TD 参与者仅对右腿以下肌肉进行 EMG:股直肌、股外侧肌和内侧肌、股二头肌、半腱肌、腓肠肌内侧和外侧、缝匠肌和股薄肌。 Vicon Nexus 2.1(Vicon Motion Systems,Oxford,UK)用于标记和过滤标记轨迹并过滤测力板数据,过滤器是巴特沃斯四阶零滞后双通低通滤波器,截止频率为6 赫兹。 EMG 在 20 到 400 Hz 之间进行带通滤波,在 10 Hz 下进行整流、低通滤波并归一化为步态试验中的最大值。

      2.3 MRI采集

      使用 1.5 T 磁共振扫描仪(MAGNETOM Avanto 扫描仪,西门子,德国或飞利浦 MRI 扫描仪,飞利浦电子,英国)收集 MRI。对仰卧位的每位参与者进行了完整的下半身扫描,包括骨盆和下肢骨骼。
      • 谢斯L。
      • 琼克斯 I。
      • 洛克斯 D.
      • 梅斯 F.
      • 西班牙人 A.
      • 苏滕斯 P.
      基于图像的肌肉骨骼建模允许步态的个性化生物力学分析。
      )。在扫描之前,根据运动捕捉标记协议将 MRI 兼容和不透明标记放置在解剖标志上。

      2.4 肌肉骨骼模型和模拟

      对于每个参与者,一个基于 MRI 的和通用规模的 OpenSim 模型(
      • 德尔普 S.L.
      • 贷款 J.P.
      • 霍伊M.G.
      • 扎亚克 F.E.
      • 托普 E.L.
      • 罗森 J.M.
      用于研究骨科手术程序的下肢交互式图形模型。
      ) 是基于先前开发的工作流创建的 (
      • 谢斯L。
      • 琼克斯 I。
      • 洛克斯 D.
      • 梅斯 F.
      • 西班牙人 A.
      • 苏滕斯 P.
      基于图像的肌肉骨骼建模允许步态的个性化生物力学分析。
      ) 并包括以下步骤:(1) 使用 Mimics (Materialise, Leuven, Belgium) 分割骨盆、股骨、胫骨和腓骨。 (2) 将分割的骨骼导入内部开发的软件,以基于医学图像构建肌肉骨骼 SIMM 模型。之后,根据 MRI 图像定义解剖参考框架、关节和肌肉作用线。 (3)最终的SIMM模型转换为OpenSim模型。 (4) OpenSim 的缩放/标记放置器工具用于使用在运动捕捉和 MRI 试验中都可见的段标记将簇标记移动到正确的位置,这些标记在 MRI 扫描期间未连接,作为参考。对于通用缩放模型 (Gen),具有与 MRI 模型相同的关节自由度和解剖参考框架定义的 SIMM 模型被转换为 OpenSim 模型,并根据实验标记位置缩放到每个孩子的人体测量学和估计的联合中心(
      • 凯恩斯 H.
      • 黄H。
      • 斯托克顿 C.
      • 博伊德 R.R.
      • 劳埃德 D.G.
      • 卡蒂 C.P.
      在肌肉骨骼模型中缩放骨盆、大腿和小腿部分的基于标记的方法的准确性和可靠性。
      )。 OpenSim 3.3 (
      • 德尔普 S.L.
      • 安德森足球俱乐部
      • 阿诺德 A.S.
      • 贷款P。
      • 哈比·A
      • 约翰 C.T.
      • 冈德曼 E.
      • Thelen D.G.
      开放模拟:用于创建和分析运动动态模拟的开源软件。
      ) 用于计算关节角度、关节力矩​​、肌肉和 JCF。使用卡尔曼平滑器计算关节角度和力矩(
      • 德格鲁特 F.
      • 德莱特 T.
      • 琼克斯 I。
      • 德舒特 J.
      卡尔曼平滑改进了基于标记的人体步态分析中关节运动学和动力学的估计。
      ) 和逆动力学。使用两种方法估计肌肉力:(1) 静态优化 (SO),它最小化平方肌肉激活的总和,并且是 OpenSim 中计算肌肉力的最常用方法之一 (
      • 德尔普 S.L.
      • 安德森足球俱乐部
      • 阿诺德 A.S.
      • 贷款P。
      • 哈比·A
      • 约翰 C.T.
      • 冈德曼 E.
      • Thelen D.G.
      开放模拟:用于创建和分析运动动态模拟的开源软件。
      ) 和 (2) 肌电图约束 SO(
      • 韦斯林 M。
      • 凯恩斯 H.
      • 霍克斯特拉 T.
      • 范罗森 S.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 德格鲁特 F.
      • 琼克斯 I。
      肉毒杆菌毒素注射对脑瘫儿童步态过程中模拟的肌肉力量影响最小。
      ),它使用处理过的 EMG 信号作为输入来约束估计的肌肉激活模式。由于缺乏最大肌肉激活的试验,每个 EMG 信号的激活比例因子在成本函数内被最小化。允许受限肌肉激活与缩放的 EMG 信号最大偏差 10%。无法获得 EMG 信号的肌肉在优化过程中可以自由变化,从而最大限度地减少了平方肌肉激活的总和。之后,使用 OpenSim 的联合反应分析来估计联合接触力(
      • 斯蒂尔 K.M.
      • 德默斯 M.S.
      • 施瓦茨 M.H.
      • 德尔普 S.L.
      蹲下步态时的压缩胫股力量。
      )。结合两种不同的模型和两种不同的优化方法,产生了以下四个建模框架:
      • Gen-SO:与SO结合的通用比例模型,缺乏个性化的肌肉骨骼几何形状和控制;
      • MRI-SO:结合SO的基于MRI的模型,反映个性化的肌肉骨骼几何但不控制;
      • Gen-EMG:通用比例模型与 EMG 约束方法相结合,缺乏个性化的肌肉骨骼几何结构,但反映了个性化控制
      • MRI-EMG:基于 MRI 的模型结合 EMG 约束方法,反映个性化的肌肉骨骼几何形状以及控制;
      在所有建模框架之间比较了关节运动学、关节动力学、肌肉和 JCF。

      2.5 数据分析

      每个孩子的左腿和右腿分别进行了分析。对于每个参与者,使用所有建模框架在步态周期内计算关节角度、关节力矩​​、肌肉力和 JCF 波形。 RMSD 用于比较不同建模框架之间的波形。为了解决我们的假设(MRI 对模拟结果的影响比 EMG 更大),我们比较了由包含 MRI(Gen-EMG 与 MRI-EMG)和 EMG 数据(MRI-SO 与 MRI-EMG)引起的差异,使用以下任一方法一对 t-tests 或 Wilcoxon 检验,取决于我们数据的分布。使用 SPSS Statistics v23(IBM 公司,纽约,美国)中的 Kolmogorov-Smirnov 检验评估正态分布。为了研究建模和模拟选择对临床推理的影响,我们使用所有建模框架计算了 TD 儿童和每个 CP 儿童的模拟结果之间的 RMSD。

      3. 结果

      TD 儿童的关节运动学和动力学显示未受损步态的典型波形,与之前的研究一致。
      • 施瓦茨 M.H.
      • 罗祖马尔斯基 A.
      • 特罗斯特 J.P.
      步行速度对典型发育儿童步态的影响。
      )。所有 CP 参与者走路时髋关节和膝关节的屈曲角度都增加了(Fig. 1)。通用比例模型和 MRI 模型之间关节运动学和动力学的 RMSD 分别低于 5° 和 0.12 Nm/kg(Fig. 4).
      Fig. 1
      Fig. 1所有参与者的矢状面关节运动学(前三行)和关节动力学(底部三行)使用通用缩放(实心波形)和基于 MRI 的模型(虚线和虚线波形)获得。
      TD 参与者的肌肉和 JCF 的形状和大小(Fig. 2, Fig. 3)与之前在儿科人群中使用基于 MRI 的模型的研究相似(
      • 博斯曼斯 L。
      • 韦斯林 M。
      • 德斯卢维尔 K.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 谢斯L。
      • 琼克斯 I。
      在正常和病理步态期间存在异常骨骼几何形状时的髋部接触力。
      ;
      • 摩德内塞 L.
      • 蒙蒂菲奥里 E.
      • 王A
      • 韦萨格 S。
      • 维康蒂 M.
      • 马扎 C.
      使用基于图像建模的编码工作流研究关节接触力对肌腱参数的依赖性。
      )。建模框架对估计肌肉力量的影响因肌肉和参与者而异(Fig. 2)。每个参与者所有肌肉的 RMSD 均低于 0.2 体重 (BW) (Fig. 4)。尽管如此,对于某些肌肉(例如 CP3 中的臀中肌和半腱肌),观察到最大个体肌肉力的差异超过 200%, Fig. 2)。在所有参与者中,不同建模框架之间 JCF 的平均 RMSD 均低于 0.8 BW(Fig. 4)。髋关节和膝关节 JCF 对包含特定于受试者的几何形状敏感,而踝关节 JCF 对大多数 CP 参与者的 EMG 数据更敏感(补充图 S3)。
      Fig. 2
      Fig. 2来自典型发育参与者(前三行)和一名具有 CP 的参与者(底部三行)的肌肉力量选择,使用所有四种不同的建模方法计算。
      Fig. 3
      Fig. 3来自典型发育参与者(前三行)和一名 CP 参与者(底部三行)的髋、膝和踝关节接触力,使用所有四种不同的建模方法计算。
      Fig. 4
      Fig. 4MRI-EMG 模型与 Gen-SO(黑色符号)、Gen-EMG(红色符号)和 MRI-之间的关节运动学、关节动力学、肌肉力和关节接触力的平均均方根差 (RMSD) SO(绿色符号)模型。由于包含特定主题的几何形状,红色符号显示 RMSD,而绿色符号由于在肌肉力量估计中包含 EMG 数据而显示 RMSD。黑色符号显示了由于包含特定主题的几何形状和 EMG 数据而产生的综合影响。 (为了解释这个图例中对颜色的引用,读者可以参考本文的网络版本。)
      包括 MRI 数据(Gen-EMG 与 MRI-EMG)对 JCF (0.31 ± 0.14 BW) 的影响显着更高(P = 0.036) 而不是 EMG 数据造成的影响(MRI-SO 与 MRI-EMG;0.24 ± 0.11 BW)。包括 MRI 或 EMG 数据对估计肌肉力量的影响的比较显示没有显着差异。将 TD 儿童的肌肉骨骼模拟结果与 CP 儿童的结果进行比较,显示所有建模框架的 RMSD 相似(Fig. 5).
      Fig. 5
      Fig. 5使用通用缩放 (Gen) 和基于 MRI (MRI) 模型以及静态优化 (SO) 和 EMG 约束 (EMG) 计算的 TD 参与者和 CP 参与者波形之间的均方根差 (RMSD) ) 方法。已提出患者和 TD 波形之间的 RMSD 以总结与 TD 儿童的偏差并支持临床决策。

      4. 讨论

      本次调查的目的是将高度特定于主题的模型与不太详细的模型的模拟结果进行比较。我们普遍发现建模选择对关节运动学和动力学影响很小。肌肉力量和 JCF 对建模选择更敏感。与包含个性化神经控制信息相比,包含个性化几何对 JCF 的影响显着更高,这证实了我们的假设。有趣的是,区分 TD 和 CP 模拟结果的能力(反映在 TD 和 CP 参与者之间的 RMSD 中)在建模框架之间是相似的。
      我们的 MRI 模型和通用缩放模型(总体 RMSD 低于 5°)之间的关节运动学非常相似。考虑到模型之间关节运动学的微小差异,关节动力学的微小差异也就不足为奇了。以往的研究表明,关节运动学主要受不同解剖段框架定义和关节自由度的影响。
      • 凯恩斯 H.
      • 摩德内塞 L.
      • 劳埃德 D.G.
      • 缅因州
      • 沃尔什·H.P.J.
      • 卡蒂 C.P.
      基于临床直接运动学与逆运动学步态模型的关节运动学计算。
      )。我们的 MRI 和通用比例模型基于类似的节段和关节定义,因此解释了对关节运动学的轻微影响。
      特定主题几何对肌肉和 JCF 的影响并不像预期的那么直接。例如,来自 CP3 的左腿的股骨几何形状,即前倾角和颈轴角与通用比例模型的几何形状仅略有不同(小于 5°),但包含主题的影响 -髋关节 JCF 的特定几何形状高于所有其他参与者(补充图 S3)。在 CP3 中,左腿的关节运动学已经显示出通用缩放模型和 MRI 模型之间的巨大差异,这表明髋关节 JCF 的差异是由于模拟工作流程的每个步骤引起的差异的总和。 CP3 的股骨节段长度在通用比例模型和基于 MRI 的模型之间相差 18 毫米,与我们的其他参与者(11 毫米 ± 5 毫米)相比更大。不同的段长度已被证明会影响模拟结果(
      • 科勒 W.
      • 巴卡 A.
      • 凯恩斯 H.
      大腿和小腿部分的缩放误差对肌肉骨骼模拟结果的影响。
      ) 并可能解释 CP3 中对髋关节 JCF 的高影响。此外,所选建模框架对模拟结果的影响可能取决于每个孩子的特定主题步行模式。模型之间的几何差异将影响肌肉附着和通过点,从而影响特定肌肉的力臂(
      • 韦斯林 M。
      • 博斯曼斯 L。
      • 范迪克 C.
      • 范德·斯洛滕 J.
      • Wirix-Speetjens R.
      • 琼克斯 I。
      非刚性变形,包括股骨近端畸形 CP 儿童肌肉骨骼模型中特定主题的细节及其对步态过程中肌肉和接触力的影响。
      ),但这只会影响肌肉和 JCF 估计,如果这些肌肉是人的步态的主要贡献者(即高度活跃)。
      受试者特定的运动控制影响了模拟结果,并且正如预期的那样,在存在更多痉挛肌肉的情况下,EMG 知情方法对 JCF 的影响更大(补充图 S4)。包括 EMG 数据对踝关节 JCF 的影响比对髋关节和膝关节 JCF 的影响更大。在我们所有 CP 参与者中,比目鱼肌和小腿肌肉是最痉挛的肌肉,这可能解释了对踝关节 JCF 的高影响。
      在临床环境中,通常将患者的波形与来自 TD 群体的参考波形进行比较,并使用 RMSD 总结结果。在比较 CP 参与者和 TD 参与者的肌肉骨骼建模结果时,我们发现所有建模框架都具有相似的 RMSD。例如,CP3 的右腿与 TD 子节点的偏差最大,与所选的建模框架无关。这与
      • 科雷亚 T.A.
      • 贝克R。
      • 克尔·格雷厄姆 H.
      • 潘迪 M.G.
      通用肌肉骨骼模型在预测肌肉在人类步态中的功能作用方面的准确性。
      ,他们发现通用缩放模型和基于 MRI 的模型之间的肌肉功能一致,以及
      • 凯恩斯 H.
      • 黄H。
      • 皮托·L。
      • 韦斯林 M。
      • 范罗森 S.
      • 范坎彭豪特 A.
      • 莫莱纳斯 G.
      • 德格鲁特 F.
      • 德斯卢维尔 K.
      • 琼克斯 I。
      选择性背根切断术可改善痉挛性脑瘫儿童行走时的肌肉力量。
      ,与静态优化相比,在使用 EMG 知情方法时,他发现肌肉力量存在类似偏差。
      特定主题几何对整体 JCF 的影响高于特定主题神经控制的影响。然而,MRI 或 EMG 数据对肌肉力量的影响并没有什么不同。与包括 MRI 不同,包括 EMG 数据不会改变关节运动学。考虑到 JCF 计算考虑了节段的角加速度和线加速度,因此 MRI 对 JCF 的影响高于 EMG 数据的影响也就不足为奇了。
      高度特定于主题的模型具有解释个人肌肉骨骼几何形状和运动控制的优势。然而,创建高度特定于主题的模型不仅非常耗时,而且由于模型和运行模拟所需的额外参数,还增加了模拟的不确定性。在基于 EMG 的模型和基于 MRI 的模型之间,建模方法的敏感性可能本质上是不同的。 EMG 知情模型主要受 EMG 信号和所选优化方法和参数的影响。 EMG 信号取决于电极的正确放置和参与者的步行模式。另一方面,基于 MRI 的模型主要取决于从 MRI 图像中选择解剖标志,因此与参与者的动态运动试验无关。先前的研究调查了针对特定对象肌肉骨骼模拟的参数识别的敏感性,并表明大多数参数是稳健的,并且没有显着改变模拟结果。
      • 汉娜 I。
      • 蒙蒂菲奥里 E.
      • 摩德内塞 L.
      • 普林诺德 J。
      • 维康蒂 M.
      • 马扎 C.
      踝关节的青少年受试者特定肌肉骨骼模型对依赖于操作员的输入的可变性的敏感性。
      ;
      • 马泰利 S.
      • 瓦伦特·G。
      • 维康蒂 M.
      • 塔迪·F。
      特定主题的肌肉骨骼模型对关节轴位置的不确定性的敏感性。
      ;
      • 瓦伦特·G。
      • 皮托·L。
      • 测试 D.
      • 赛斯 A。
      • 德尔普 S.L.
      • 斯塔尼·R。
      • 维康蒂 M.
      • 塔迪·F。
      特定主题的肌肉骨骼模型对参数识别中的不确定性是否具有鲁棒性?
      )。当前自动化工作流程的发展,以创建高度特定于主题的模型(
      • 摩德内塞 L.
      • 科胡特 J。
      自动生成三维复杂肌肉几何形状,用于个性化肌肉骨骼模型。
      ;
      • 摩德内塞 L.
      • 雷诺 J.B.
      从三维骨骼几何形状自动生成个性化的下肢骨骼模型。
      ) 将来可能会提高特定主题模拟的可重复性。
      这项研究包括一些局限性。首先,由于创建特定主题模型的过程耗时,本研究仅包括小样本量,因此,应谨慎解释统计结果。其次,我们的发现基于收集到的参与者的步行试验和使用的肌肉骨骼模拟方法。不同的运动(例如上楼梯)或在肌肉骨骼模拟中包含 EMG 数据的不同方法(
      • 皮佐拉托 C.
      • 劳埃德 D.G.
      • 萨托里 M。
      • 切塞拉丘 E.
      • 贝西尔 T.F.
      • 弗雷格利 B.J.
      • 雷吉亚尼 M.
      CEINMS:一个工具箱,用于研究不同神经控制解决方案对动态运动任务期间肌肉兴奋和关节力矩预测的影响。
      ) 可能会导致不同的结果。第三,处理 EMG 数据的不同方法可能会影响 EMG 知情方法(Gen-EMG 和 MRI-EMG)的结果。第四,我们的统计分析仅基于建模框架之间的 RMSD 进行,但不包括离散参数,例如腓肠肌的峰值力量。请注意,虽然 RMSD 相对较低,但一些离散参数在建模框架之间显示出很大差异(Fig. 2, Fig. 3)。此外,应进行基于更大样本量的未来研究以验证我们的结论。

      5. 结论

      我们的研究结果强调,建模选择对模拟结果的影响取决于特定主题的肌肉骨骼几何形状和运动控制的组合,而不是单独的几何形状或运动控制的差异。Fig. 4)。我们的结果在参与者之间的高度可变性可能是由不同的步行模式引起的,这需要不同的肌肉力量。建模框架将影响力臂(通用与 MRI)和肌肉激活(SO 与 EMG 通知优化),但这只会影响模拟结果,如果这些肌肉是人的步态的主要贡献者。在我们的参与者中,特定主题几何对模拟结果的影响高于包含特定主题神经控制的影响。在 CP 和 TD 参与者之间的肌肉骨骼模拟结果中,基于整体 RMSD 的临床推理不太可能受到建模选择的影响。我们的结果可能有助于同行估计和理解由于某些建模选择而导致的模拟结果差异。模型和仿真结果可从以下网址免费获得 //simtk.org/projects/genvssubspec.

      竞争利益声明

      作者宣称没有利益冲突。

      致谢

      该项目的部分资金来自 IWT-TBM 赠款 (140184)。 HK 感谢 OpenSim 团队提供 NCSRR 差旅补助,以加入高级 OpenSim 用户研讨会。

      附录 A。 补充资料

      参考

        • 贝克R。
        • 麦金利 J.L.
        • 施瓦茨 M.H.
        • 贝农 S。
        • 罗祖马尔斯基 A.
        • 格雷厄姆香港
        • 蒂罗什·O。
        步态轮廓得分和运动分析轮廓。
        步态。 2009; 30: 265-269//doi.org/10.1016/J.GAITPOST.2009.05.020
        • 鲍勃罗夫 E.D.
        • 钱伯斯 H.G.
        • 赛多利斯 D.J.
        • 怀亚特议员
        • 萨瑟兰 D.H.
        脑瘫患儿的股骨前倾角和颈干角。
        临床。矫形器。相关。水库 1999; 194–204
        • 博汉农 R.W.
        • 史密斯 M.B.
        改良的 Ashworth 肌肉痉挛量表的评分者间可靠性。
        物理。那个。 1987; 67: 206-207
        • 博斯曼斯 L。
        • 韦斯林 M。
        • 德斯卢维尔 K.
        • 莫莱纳斯 G.
        • 谢斯L。
        • 琼克斯 I。
        在正常和病理步态期间存在异常骨骼几何形状时的髋部接触力。
        J. 矫形器。水库 2014; 32: 1406-1415//doi.org/10.1002/jor.22698
        • 西莫林 V。
        • 康多卢奇 C.
        • Costici P.F.
        • 加利M。
        一个动力学总结测量的提议:步态动力学指数。
        计算。方法生物力学。生物医学。引擎。 2019; 22: 94-99//doi.org/10.1080/10255842.2018.1536750
        • 科雷亚 T.A.
        • 贝克R。
        • 克尔·格雷厄姆 H.
        • 潘迪 M.G.
        通用肌肉骨骼模型在预测肌肉在人类步态中的功能作用方面的准确性。
        J.生物力学。 2011; 44: 2096-2105//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2011.05.023
        • 德格鲁特 F.
        • 德莱特 T.
        • 琼克斯 I。
        • 德舒特 J.
        卡尔曼平滑改进了基于标记的人体步态分析中关节运动学和动力学的估计。
        J.生物力学。 2008; 41: 3390-3398//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2008.09.035
        • 德尔普 S.L.
        • 贷款 J.P.
        • 霍伊M.G.
        • 扎亚克 F.E.
        • 托普 E.L.
        • 罗森 J.M.
        用于研究骨科手术程序的下肢交互式图形模型。
        IEEE 翻译生物医学。英。 1990; 37: 757-767//doi.org/10.1109/10.102791
        • 德尔普 S.L.
        • 安德森足球俱乐部
        • 阿诺德 A.S.
        • 贷款P。
        • 哈比·A
        • 约翰 C.T.
        • 冈德曼 E.
        • Thelen D.G.
        开放模拟:用于创建和分析运动动态模拟的开源软件。
        IEEE 翻译生物医学。英。 2007; 54: 1940-1950//doi.org/10.1109/TBME.2007.901024
        • 法利斯 A.
        • 皮托·L。
        • 凯恩斯 H.
        • 黄H。
        • 韦斯林 M。
        • 范罗森 S.
        • Papageorgiou E.
        • Bar-On L.
        • 哈勒曼 A.
        • 德斯卢维尔 K.
        • 莫莱纳斯 G.
        • 范坎彭豪特 A.
        • 德格鲁特 F.
        • 琼克斯 I。
        基于物理的模拟预测运动控制和肌肉骨骼缺陷对脑瘫步态功能障碍的不同影响:回顾性案例研究。
        正面。哼。神经科学。 2020; 14: 40//doi.org/10.3389/fnhum.2020.00040
        • 汉娜 I。
        • 蒙蒂菲奥里 E.
        • 摩德内塞 L.
        • 普林诺德 J。
        • 维康蒂 M.
        • 马扎 C.
        踝关节的青少年受试者特定肌肉骨骼模型对依赖于操作员的输入的可变性的敏感性。
        过程研究所机械。英。部分 H J. Eng。医学。 2017; 231: 415-422//doi.org/10.1177/0954411917701167
        • 黄海霞
        • 皮佐拉托 C.
        • 钻石 L.E.
        • 劳埃德 D.G.
        神经肌肉参数的特定主题校准使神经肌肉骨骼模型能够估计健康成人生理上合理的髋关节接触力。
        J.生物力学。 2018; 80: 111-120//doi.org/10.1016/J.JBIOMECH.2018.08.023
        • 卡达巴议员
        • 罗摩克里希南香港
        • 伍腾 M.E.
        水平行走过程中下肢运动学的测量。
        J. 矫形器。水库 1990; 8: 383-392//doi.org/10.1002/jor.1100080310
        • 凯恩斯 H.
        • 摩德内塞 L.
        • 劳埃德 D.G.
        • 缅因州
        • 沃尔什·H.P.J.
        • 卡蒂 C.P.
        基于临床直接运动学与逆运动学步态模型的关节运动学计算。
        J.生物力学。 2016; 49: 1658-1669//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.03.052
        • 凯恩斯 H.
        • 黄H。
        • 斯托克顿 C.
        • 博伊德 R.R.
        • 劳埃德 D.G.
        • 卡蒂 C.P.
        在肌肉骨骼模型中缩放骨盆、大腿和小腿部分的基于标记的方法的准确性和可靠性。
        J. 应用程序生物力学。 2017; 1–21//doi.org/10.1123/jab.2016-0282
        • 凯恩斯 H.
        • 黄H。
        • 皮托·L。
        • 韦斯林 M。
        • 范罗森 S.
        • 范坎彭豪特 A.
        • 莫莱纳斯 G.
        • 德格鲁特 F.
        • 德斯卢维尔 K.
        • 琼克斯 I。
        选择性背根切断术可改善痉挛性脑瘫儿童行走时的肌肉力量。
        临床。生物力学。 (布里斯托尔,雅芳)。 2019; 65: 26-33//doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2019.03.014
        • 凯恩斯 H.
        • 基伦 B.A.
        • 韦斯林 M。
        • Perez-Boerema F.
        • 皮托·L。
        • 加西亚·阿斯纳尔 J.M.
        • 谢菲尔宾 S.
        • 琼克斯 I。
        多尺度建模框架将肌肉骨骼刚体模拟与自适应有限元分析相结合,以评估股骨几何形状对髋关节接触力和股骨骨生长的影响。
        公共图书馆一。 2020; 15e0235966//doi.org/10.1371/journal.pone.0235966
        • 科勒 W.
        • 巴卡 A.
        • 凯恩斯 H.
        大腿和小腿部分的缩放误差对肌肉骨骼模拟结果的影响。
        步态。 2021; 87: 65-74//doi.org/10.1016/j.gaitpost.2021.02.016
        • 劳埃德 D.G.
        • 贝西尔 T.F.
        EMG 驱动的肌肉骨骼模型,用于估计体内肌肉力和膝关节力矩。
        J.生物力学。 2003; 36: 765-776//doi.org/10.1016/S0021-9290(03)00010-1
        • 马泰利 S.
        • 瓦伦特·G。
        • 维康蒂 M.
        • 塔迪·F。
        特定主题的肌肉骨骼模型对关节轴位置的不确定性的敏感性。
        计算。方法生物力学。生物医学。引擎。 2015; 18: 1555-1563//doi.org/10.1080/10255842.2014.930134
        • 摩德内塞 L.
        • 科胡特 J。
        自动生成三维复杂肌肉几何形状,用于个性化肌肉骨骼模型。
        安。生物医学。英。 2020; 48: 1793-1804//doi.org/10.1007/s10439-020-02490-4
        • 摩德内塞 L.
        • 雷诺 J.B.
        从三维骨骼几何形状自动生成个性化的下肢骨骼模型。
        J.生物力学。 2021; 116: 110186//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.110186
        • 摩德内塞 L.
        • 蒙蒂菲奥里 E.
        • 王A
        • 韦萨格 S。
        • 维康蒂 M.
        • 马扎 C.
        使用基于图像建模的编码工作流研究关节接触力对肌腱参数的依赖性。
        J.生物力学。 2018; 73: 108-118//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.03.039
        • 皮佐拉托 C.
        • 劳埃德 D.G.
        • 萨托里 M。
        • 切塞拉丘 E.
        • 贝西尔 T.F.
        • 弗雷格利 B.J.
        • 雷吉亚尼 M.
        CEINMS:一个工具箱,用于研究不同神经控制解决方案对动态运动任务期间肌肉兴奋和关节力矩预测的影响。
        J.生物力学。 2015; 48: 3929-3936//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2015.09.021
        • 谢斯L。
        • 琼克斯 I。
        • 洛克斯 D.
        • 梅斯 F.
        • 西班牙人 A.
        • 苏滕斯 P.
        基于图像的肌肉骨骼建模允许步态的个性化生物力学分析。
        斯普林格, 柏林、海德堡2006: 58-66//doi.org/10.1007/11790273_7
        • 谢斯L。
        • 范坎彭豪特 A.
        • 西班牙人 A.
        • 苏滕斯 P.
        • 琼克斯 I。
        在股骨前倾角增加的情况下,基于个性化 MR 的肌肉骨骼模型与重新调整的通用模型相比:对髋关节力矩臂长度的影响。
        步态。 2008; 28: 358-365//doi.org/10.1016/J.GAITPOST.2008.05.002
        • 谢斯L。
        • 德斯卢维尔 K.
        • 西班牙人 A.
        • 苏滕斯 P.
        • 琼克斯 I。
        使用基于 MR 的运动学模型计算步态运动学。
        步态。 2011; 33: 158-164//doi.org/10.1016/j.gaitpost.2010.11.003
        • 施瓦茨 M.H.
        • 罗祖马尔斯基 A.
        • 特罗斯特 J.P.
        步行速度对典型发育儿童步态的影响。
        J.生物力学。 2008; 41: 1639-1650//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2008.03.015
        • 斯蒂尔 K.M.
        • 德默斯 M.S.
        • 施瓦茨 M.H.
        • 德尔普 S.L.
        蹲下步态时的压缩胫股力量。
        步态。 2012; 35: 556-560//doi.org/10.1016/J.GAITPOST.2011.11.023
        • 斯蒂尔 K.M.
        • 范德克罗格特
        • 施瓦茨 M.H.
        • 德尔普 S.L.
        蹲下走路需要多少肌肉力量?
        J.生物力学。 2012; 45: 2564-2569//doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.07.028
        • 瓦伦特·G。
        • 皮托·L。
        • 测试 D.
        • 赛斯 A。
        • 德尔普 S.L.
        • 斯塔尼·R。
        • 维康蒂 M.
        • 塔迪·F。
        特定主题的肌肉骨骼模型对参数识别中的不确定性是否具有鲁棒性?
        公共图书馆一。 2014; 9e112625//doi.org/10.1371/journal.pone.0112625
        • 瓦伦特·G。
        • 克里米 G。
        • 瓦内拉·N。
        • 斯基莱奥
        • 塔迪·F。
        nmsBuilder:为 OpenSim 创建特定主题的肌肉骨骼模型的免费软件。计算。
        方法程序生物医学。 2017; 152: 85-92//doi.org/10.1016/j.cmpb.2017.09.012
        • 维尔坎普 K.
        • 沙利格 W.
        • 哈拉尔 J。
        • 皮佐拉托 C.
        • 卡蒂 C.P.
        • 劳埃德 D.G.
        • 范德克罗格特
        肌电图辅助建模对估计脑瘫儿童步态肌腱力的影响。
        J.生物力学。 2019; //doi.org/10.1016/J.JBIOMECH.2019.05.026
        • 韦斯林 M。
        • 迈耶 C.
        • 科尔滕 K。
        • 西蒙 J.-P.
        • 德斯卢维尔 K.
        • 琼克斯 I。
        手术方法或假体类型会影响术后一年的髋关节负荷吗?
        步态。 2016; 44: 74-82//doi.org/10.1016/j.gaitpost.2015.11.009
        • 韦斯林 M。
        • 博斯曼斯 L。
        • 范迪克 C.
        • 范德·斯洛滕 J.
        • Wirix-Speetjens R.
        • 琼克斯 I。
        非刚性变形,包括股骨近端畸形 CP 儿童肌肉骨骼模型中特定主题的细节及其对步态过程中肌肉和接触力的影响。
        计算。方法生物力学。生物医学。引擎。 2019; 22: 376-385//doi.org/10.1080/10255842.2018.1558216
        • 韦斯林 M。
        • 凯恩斯 H.
        • 霍克斯特拉 T.
        • 范罗森 S.
        • 德斯卢维尔 K.
        • 德格鲁特 F.
        • 琼克斯 I。
        肉毒杆菌毒素注射对脑瘫儿童步态过程中模拟的肌肉力量影响最小。
        步态。 2020; 82: 54-60//doi.org/10.1016/j.gaitpost.2020.08.122