本案例使用Adams+Simulink數據整合，了解膝關節的運動模式，預測膝關節內部元素之間的接觸力。
本文內容來自與University of Missouri的訪談，原文內容擷取重點寫在這裡。
人類已經探索過星系、海洋深處，甚至回溯至幾百萬年前的過去。然而，對於人體及其運作方式，我們的理解仍有許多未解之謎。以膝關節為例，它是從腳到骨盆，整個動力鏈的核心，但脛骨(tibia，俗稱小腿骨)與股骨(femur，俗稱大腿骨)之間的連接，幾何約束非常有限。膝蓋的穩定性依賴於多種軟組織結構的協同運作。然而，這些結構如何運作的細節，在醫學影像已經如此發達的現在，仍然是相對複雜。
MSC的Adams，多體動力學模擬解決方案，能提供我們對膝關節深入的觀察和解析，協助我們理解膝蓋的內部運作。
背景介紹
以半月板(menisci)在膝蓋中的角色為例，它對穩定膝關節至關重要。半月板透過形成一個杯狀結構，使股骨能夠穩固地置於其中，進而穩定膝關節。此外，半月板還能作為減震器，將股骨的壓力分散到脛骨的更大範圍。
在不了解半月板的角色之前，外科醫生常會例行性地移除受損的半月板，但現在這種做法已經大幅減少，因為我們越來越了解半月板對於維持膝關節穩定性的重要性。然而，我們對半月板的了解仍然有限。例如，當固定半月板與脛骨的韌帶鬆弛時，會發生什麼情況？這種鬆弛常常是由於受傷或年齡增長所導致的。深入了解膝關節生物力學有許多潛在的好處，像是預防受傷和改善治療方法。
美國密蘇里大學運動分析中心(University of Missouri Mizzou Motion Analysis Center (MAC))的研究人員意識到，要提升我們對半月板的理解，需要突破傳統分析方法的限制。他們需要一個能夠模擬肌肉驅動負荷和運動的多體動力學模擬工具，並且具有足夠的計算能力來模擬膝關節所有連接組件。
解決方案/驗證
MAC研究團隊使用Adams多體動力學軟體，開發出目前最全面且逼真的膝關節模擬。他們首先在受試者身上裝上標記，利用動作捕捉系統記錄受試者在實驗室中的行走和移動過程。研究人員還使用磁振造影（MRI）來獲取骨骼、軟骨、半月板和韌帶的影像，並透過力板測量地面接觸力，使用肌電圖（EMG）測量肌肉的活化狀況。
接下來，他們根據所收集的數據，為每位受試者建立其內部肌肉骨骼系統的Adams模型。每個模型由21個剛體段、53個旋轉關節和43條腿部肌肉組成。在每個標記位置設置運動約束，並在約束與對應身體段之間設置三軸彈簧，使得剛體骨骼可以相對於運動約束移動。腳與地面的界面則是將從MRI獲得的皮膚幾何形狀分割成五個剛體，並在這些剛體與地板之間定義可變形接觸。
這些實驗運動數據為運動約束提供了運動學輸入，使模型能夠隨之移動。模型受到已定義關節的約束，以及膝關節的接觸和韌帶力與地面接觸力的影響。為了確定運動過程中的肌肉力量和膝關節負荷，研究人員進行了前向動力學模擬，預測膝關節內部元素之間的接觸力，例如脛骨與半月板、脛骨與股骨之間的接觸力，以及膝關節韌帶上的力量，如前十字韌帶（ACL）的力量。
在前向動力學模擬中，Adams與Simulink的數據整合能力扮演了關鍵角色，對於建立準確的膝關節模擬至關重要。Adams和Simulink之間的雙向溝通讓研究人員能獲得重要的資訊，這對於模擬過程而言非常關鍵。透過這種協同工作，研究人員能夠更深入地了解膝關節在不同運動情境下的動態行為，從而提高了模擬的準確性和實用性。
這樣的研究不僅有助於更好地理解膝關節的複雜動力學，還能為臨床應用提供寶貴的數據，例如膝關節手術的規劃、復健訓練的設計，以及運動損傷的預防策略。隨著技術的進步，這類模擬技術將在醫學和運動科學領域發揮越來越重要的作用。研究團隊期望未來能夠進一步優化這些模型，並將其應用於更多類型的關節和運動分析中，以造福更多患者和運動員。
結論
隨著半月板附著點長度的增加，其生物力學功能逐漸減弱。MAC研究團隊透過Adams軟體的應用，開始深入探討半月板在膝關節中的複雜功能。他們發現，當韌帶長度增加約20%時，行走時半月板的力量傳遞功能幾乎完全喪失。這導致半月板吸收的力量減少，使脛骨與股骨之間直接傳遞的力量增加，進而增加關節損傷和疼痛的風險。這些研究結果將幫助研究人員和醫生更有效地預防和治療未來的疼痛和損傷。
「多體動力學已經極大地增進我們對膝關節功能的理解。」密蘇里大學物理治療與骨科手術副教授Trent Guess表示。「未來，我們有望在膝關節問題的診斷和外科手術的改進等方面取得顯著進展。」
密蘇里大學 介紹
密蘇里大學成立於1839年，是密蘇里州規模最大的高等學府，目前有超過35,000名學生在此就讀。校內的Mizzou動作分析中心隸屬於物理治療系，中心結合生物力學工程、骨科及物理治療的研究，致力於提升人類動作測量與維持技術的進步。
原文內容: University of Missouri – Adams simulations help diagnose knee problems