利用概念验证的数字孪生生物力学模型实时预测腰椎的应力与位移

摘要

目的

开发一个概念验证的数字孪生框架，用于实时预测和可视化腰椎生物力学，包括自然状态和手术处理后的模型，并通过数值方法验证其与耦合的MBD-FEA模拟结果的准确性。

方法

开发了一个结合了多体动力学（MBD）和有限元（FE）模拟的混合框架，并使用了两个顺序Kriging替代模型。替代模型1根据三维腰椎旋转预测脊柱载荷；替代模型2根据这些载荷估计自然状态和术后（TLIF + 椎弓根螺钉）脊柱模型的冯·米塞斯应力和位移。评估包括与全阶MBD–FEA模拟的数值验证，以及通过与文献中报告的L4–L5椎间盘内压力（IDP）范围的对比来进行合理性检查。

结果

对于预定义的复合3自由度（屈曲/伸展、侧向弯曲和轴向旋转）腰椎旋转运动，数字孪生模型预测的节点应力和位移与耦合的高保真MBD–FEA输出之间的平均绝对误差（MAE）对于自然状态脊柱≤0.5%，对于术后脊柱≤0.2%。L4–L5 IDP在所有运动中的范围为108至513 kPa，表明其处于与先前报告的范围（30–1530 kPa）重叠的生理水平。然而，预测值低于某些报告的屈曲最大值（约1500 kPa）。

结论

该框架在数值一致性方面表现出强大的预测性能，表明替代模型能够忠实再现高保真耦合MBD–FEA参考解，并展示了一个能够实时执行和可视化的概念验证流程。然而，未来工作应进行实验和临床验证，以确认IMU导出的节段运动学和体内生物力学输出的准确性。