Joint loading in the presence of torsional deformities is overestimated unless gait adaptations are considered: a predictive simulation approach
本研究表明，在存在股骨和胫骨扭转畸形的情况下，纳入步态适应性的预测模拟对于准确估算髋关节和膝关节的关节负荷至关重要，因为未能考虑这些自然的运动学调整会导致对关节力的显著高估。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类的骨骼并非僵硬的雕像；它是一个动态的框架，通过扭转和转向来维持我们的直立与运动。在下肢中，大腿骨（股骨）和胫骨通常具有天然的螺旋结构，即沿长度方向的扭转，这有助于使足部与行进方向保持一致。有时，这种扭转会比平时更为显著，这种现象被称为扭转畸形。当大腿骨向内过度扭转，或胫骨向外过度扭转时，一个人的整个步态都会发生改变。几十年来，医生和科学家一直担心这些扭转会对髋关节和膝关节造成额外的、破坏性的压力，可能导致晚年出现疼痛或关节炎。为了理解这一风险，研究人员传统上使用计算机模型来估算这些关节内部的力量。然而，一个关键问题始终存在：这些模型是否考虑到了人体足够聪明，能够通过改变行走方式来补偿扭曲的骨骼？如果一个模型强迫一个人无论其骨骼结构如何都以完全相同的方式行走，那么它计算出的压力水平可能在现实生活中从未真正发生过。
一支研究团队致力于通过构建一种新型计算机模拟系统来回答这个问题。该系统不再强迫数字骨架以固定、不变的模式行走，而是创建了一个允许骨架根据其特定的骨骼扭转情况，自主寻找最有效行走方式的系统。他们从一个标准的人体成年模型开始，然后系统地改变了大腿骨和胫骨的扭转程度，以匹配患有此类畸形人群中存在的广泛变异。他们运行了数千次行走模拟，让计算机决定髋部应如何旋转以及脚尖应指向何方，以便在正常步速下平稳前进。其目标是观察当身体被允许调整运动方式时，与被强迫僵硬行走而不进行任何调整时相比，髋部和膝关节内部的力量如何变化。
结果显示，身体的自然适应能力非常强大，并显著改变了作用于关节的力量。当大腿骨过度向内扭转时，模拟的行走者会自然地将髋部向内转动并将脚尖向内偏，以进行补偿。这种调整改变了冲击髋关节的力量方向。在迈步的第一阶段，与旧模型预测的情况相比，向下挤压髋部的压力实际上减少了。然而，侧向滑动力量（即剪切力）却增加了。在迈步的第二阶段，髋部的总压力略有上升。在膝关节处，情况则有所不同：大腿骨的扭转导致在迈步的起始和结束阶段，挤压力和总压力都增加了。胫骨的扭转影响较小，主要表现为降低了迈步过程中第二个峰值的力量。
至关重要的是，研究表明，忽视这些行走适应性会导致对危险程度的严重高估。当研究人员运行一个模拟，强迫扭曲骨骼模型以与健康人士完全相同的腿部动作进行行走时，计算机计算出的关节力量明显高于允许模型进行适应时的数值。在其中一项对比中，非适应性方法与预测性模拟在第二个峰值膝关节接触力上的差异大约是三倍之多。这表明，以往那些未允许步态变化的研究所得出的结论可能过于悲观，高估了这些畸形对关节造成的压力。身体重新定向肢体的能力起到了一种缓冲作用，在减轻某些区域负荷的同时，将压力转移到了其他区域。
研究人员发现，大腿骨的扭转是这些变化的驱动力，其对关节负荷的影响远大于胫骨的扭转。他们还指出，虽然他们的模拟捕捉到了此类畸形人群行走的总体模式，但确切的数值取决于计算机模型的具体细节。这项研究并不声称已经解开了这些畸形如何导致疼痛的谜团，但它提供了一个更清晰的力学机制图景。通过让数字骨架寻找自身的平衡，研究人员证明了人体并非骨骼结构的被动受害者，而是一个不断调整以保护关节的主动参与者。这一见解表明，未来的医疗决策（如手术或治疗方案）应当依赖于尊重这些自然行走适应性的模型，而不是假设人体是以一种僵硬、不变的方式运动。
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