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作者及发表信息
本研究由Jonah M. Dimnik（第一作者）、Andrew Sawatsky、Roman J. Krawetz和W. Brent Edwards（通讯作者）合作完成，作者团队来自加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）的多个机构，包括人体运动机能学院（Faculty of Kinesiology）、McCaig骨与关节健康研究所（McCaig Institute for Bone and Joint Health）、细胞生物学与解剖学系（Department of Cell Biology and Anatomy）以及生物医学工程系（Department of Biomedical Engineering）。研究发表于期刊Bone（2025年，第200卷，文章编号117575）。
学术背景
研究领域：本研究属于骨生物力学（bone mechanobiology）领域，聚焦于骨骼对机械载荷的适应性响应。
研究动机：骨骼的力学环境对其结构与功能维持至关重要，但现有动物模型（如啮齿类）因缺乏人类类似的皮质内重塑（intracortical remodeling）而受限。兔子作为具有天然皮质内重塑的最小骨科模型，更适合研究靶向哈弗斯重塑（Haversian remodeling）。
研究目标：
1. 开发并验证基于计算机断层扫描（CT）的有限元（FE）模型，以模拟兔子胫骨在体内加载装置中的微力学环境；
2. 探究载荷方向假设对有限元应变预测的敏感性，提出实验优化的载荷方向确定方法。
研究流程与方法
1. 机械加载实验
- 研究对象：10只新近安乐死的雌性新西兰白兔（共20个后肢），年龄5.4±2.5个月。
- 实验设计：
- 在胫骨远端前侧和后侧粘贴应变片（strain gauge rosettes），以测量加载时的应变分布。
- 后肢以仰卧位固定于定制夹具中，通过Instron E3000测试仪施加单轴压缩载荷（-25 N至-200 N，频率0.5 Hz，20次循环）。
- 记录峰值载荷下的最大和最小主应变，用于后续有限元模型验证。
2. CT成像与有限元建模
- 样本处理：后肢在髋关节处离体，保留实验夹具的3D打印复制品以模拟真实加载姿态，冷冻后行CT扫描（分辨率0.625 mm）。
- 模型构建：
- 使用Mimics软件分割胫骨，网格化为约25万个四面体单元，材料属性基于密度-弹性关系（(E_{\text{tib}} = 8105\rho^{1.75})）。
- 边界条件：远端固定，近端施加200 N集中力，方向初始假设为垂直（e₃轴）。
3. 数学优化与载荷方向校准
- 优化目标：通过Nelder-Mead下山单纯形法调整力向量方向（球坐标系中的方位角(\phi)和倾角(\theta)），最小化有限元预测应变与实验测量的均方误差（MSE）。
- 验证方法：比较优化后的模型与三种单方向假设（均值方向、全局误差最小方向、误差加权概率密度最大方向）的预测精度。
4. 数据分析与统计
- 评估指标：线性回归（R²）、Bland-Altman分析（偏差与一致性界限）、应变分布可视化。
主要结果
应变分布特征：
- 远端前侧以拉应变为主，后侧以压应变为主，中性轴从近端（前后方向）向远端（逐渐转向外侧）旋转（图6、9）。
- 6个样本（多为左后肢）表现出不同的中性轴行为，可能与尸僵（rigor mortis）导致的肌肉刚度差异有关。
优化模型的准确性：
- 优化后的力向量方向为(\phi = 195.42° \pm 28.36°)（前外侧方向），(\theta = 7.69° \pm 3.58°)，应变预测与实验数据高度吻合（R²=0.96）。
- 调整偏差后，回归斜率与截距分别接近1和0，符合(Y=X)关系（图5a）。
载荷方向的敏感性：
- 方向偏差导致应变预测误差显著增加（图7）。例如，纯垂直力假设的均方根误差（RMSE）高达3421.57 με，而优化模型仅98.55 με（表1）。
单方向假设的局限性：
- 三种单方向技术（均值、全局最小误差、误差加权密度最大）的预测性能均显著劣于个体优化方法（R²≤0.43）。
结论与意义
科学价值：
- 提出了一种基于实验数据的个体化有限元优化方法，解决了动物模型中因肢体方向变异导致的应变预测误差问题。
- 揭示了兔子胫骨在轴向压缩下的复杂应变分布规律，为后续骨适应性研究提供了高精度计算工具。
应用价值：
- 该方法可推广至其他动物模型或临床研究，例如骨质疏松症的运动干预设计或骨科植入物力学分析。
研究亮点
- 创新方法：首次将数学优化与有限元建模结合，校准兔子胫骨加载的等效力方向，显著提升预测精度。
- 高样本量：20个后肢的数据揭示了实验间肢体方向的高变异性（(\phi)标准差达28.36°），凸显个体化校准的必要性。
- 跨学科技术：整合机械测试、CT成像、有限元分析和优化算法，为骨生物力学研究提供了标准化流程。
其他有价值内容
- 局限性：应变片放置误差可能影响梯度区域的预测；未考虑踝关节自由度；未来可通过3D载荷传感器直接测量力向量。
- 数据共享：作者声明数据可应要求提供，支持研究可重复性。
此研究为骨适应性机制探索提供了重要工具，尤其适用于需高精度力学模拟的转化医学研究。