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A subject-specific musculoskeletal model to predict the tibiofemoral contact forces during daily living activities

骨关节炎 膝关节 生物力学 医学 物理医学与康复 接触力 下降(航空) 物理疗法 口腔正畸科 膝关节屈曲 工程类 外科 解剖 物理 替代医学 病理 量子力学 航空航天工程
作者
Li Zhang,Geng Liu,Yuzhou Yan,Bing Han,Hui Li,Jianbing Ma,Xupeng Wang
出处
期刊:Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering [Taylor & Francis]
卷期号:26 (8): 972-985 被引量:3
标识
DOI:10.1080/10255842.2022.2101889
摘要

Accurate prediction of tibiofemoral contact force (TFCF) during daily living activities is significant for understanding the initiation, progression, and treatment of knee osteoarthritis (KOA). However, the diversity of target activities, prediction accuracy, and computational efficiency of the current musculoskeletal simulations need to be further improved. In this study, a subject-specific musculoskeletal model considered the tibiofemoral alignment, medial-lateral contact locations, secondary tibiofemoral and all patellofemoral motions, and knee ligaments was proposed to predict the TFCFs during the five daily activities (normal walking, sit-to-stand, stand-to-sit, stair ascent, and stair descent) in OpenSim software. The standing lower-limbs-full-length radiograph, local radiograph of knee joint, motion capture data, and force plate data of eighteen subjects were acquired as the input data of the musculoskeletal model. The results showed good agreements of TFCFs between the predictions based on our proposed musculoskeletal model and the in-vivo measurements based on instrumented knee implants during the five daily activities (RMSE: 0.16 ∼ 0.31 BW, R2: 0.88 ∼ 0.97, M: −0.11 ∼ −0.02, P: 0.03 ∼ 0.10, and C: 0.04 ∼ 0.14). Additionally, the order of the peak total and lateral TFCFs from low to high was normal walking, stair ascent and stand-to-sit, and stair descent and sit-to-stand (P < 0.05), and the peak medial TFCF was stand-to-sit, sit-to-stand, normal walking, stair ascent and stair descent (P < 0.05). The outcomes of this study are valuable for further understanding the knee biomechanics during daily living activities and providing theoretical guidance for the treatments of KOA.

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