膝关节前交叉韧带断裂者跑步时的步态分析特征及指导意义

 为明确前交叉韧带（anterior crucitate ligament，ACL）断裂后患者的跑步步态以及合并内侧半月板后角撕裂对其进一步的影响，基于三维运动捕捉分析方法，定量化分析了前交叉韧带断裂患者（8名单纯ACL断裂患者，8名ACL断裂合并内侧半月板后角撕裂患者，22名健康志愿者）的跑步步态改变。研究表明，慢跑时ACL断裂的膝关节主要表现为外源性屈曲力矩显著降低，这不仅与ACL断裂侧伸肌力量减弱有关，且与神经肌肉控制模式改变有关。ACL断裂合并内侧半月板撕裂患者膝关节在慢跑时表现出显著的外旋不稳，分析与内侧半月板后角撕裂降低了对旋转稳定性的控制功能有关。研究提示，ACL断裂患者的康复训练方案应关注并参考其跑步步态的异常，加强屈伸肌及旋转稳定肌群的训练，结合神经肌肉训练，改善其跑步步态异常，降低继发损伤风险。     

不同方式躯干运动时腰部肌肉表面肌电信号特征研究

本文采集20名健康青年男性志愿者在躯干屈曲伸展、侧屈、旋转以及不同前倾角度运动时腰部竖脊肌与多裂肌的sEMG信号,分析其特征参数AEMG的变化特征,以探讨不同方式的躯干运动对腰部竖脊肌和多裂肌平均肌电(AEMG)的影响.结果表明:躯干伸展过程中腰部竖脊肌和多裂肌的AEMG值均大于屈曲过程(P0.05),提示向心运动对腰部肌肉的激活程度较离心运动大;躯干由直立向一侧旋转时腰部多裂肌的激活程度存在显著的对侧增强效应;躯干前倾至45°与65°角位置时腰部竖脊肌和多裂肌其激活程度均高于其它角度.     

基于AnyBody仿真及有限元建模下的八段锦运动生物力学研究

以AnyBody仿真骨骼肌多体逆向动力学三元素肌肉收缩力模型及有限元法构建八段锦动作的三维胫骨模型,全面、客观地计算不同动作最大肌力峰值时刻的积分肌电、力矩、肌肉收缩等生物力学特性. 将10例健康青年八段锦志愿者的身高、体质量、髋宽、髋深、膝宽、踝宽等形态学数据作为约束条件,用AnyBody7.1.2软件导出八段锦8个动作下肢最大肌力指标,依据胫骨最大应力约束条件,用Minics 10.01、Geomagic studio 2013、ANSYS 19.2软件建构三维数据,添加AnyBody中的3个方向数据,分析并计算不同动作最大力的应力传导大小、分布规律. 研究结果表明:八段锦是左右对称性运动,双侧同块肌肉积分肌电值、肌肉力值无显著性差异,有利于锻炼双下肢稳定性及协调性,运动中人体需要通过移动来保持平衡,膝关节在垂直轴方向力最大,伸展力矩值最大;做八段锦运动过程中,髋关节主导发力肌肉为臀中肌,膝关节主导发力肌肉为比目鱼肌、股外侧肌、腓肠肌,踝关节主导发力肌肉为拇长屈肌;表面肌电验证是评价人体肌肉激活程度的主要方式,八段锦运动中胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、股二头肌的肌肉活性仿真结果与积分肌电值具有较高的一致性.以AnyBody软件分析下肢动作特征和有限元软件建构的胫骨模型,适用于八段锦动作的动态研究,可为计算八段锦运动时动力学变化提供新思路与实践价值参考.      

步态变化对人体膝关节接触生物力学特性的影响

步态变化对股胫关节接触生物力学特性影响的量化研究对人们认识关节的力学行为,保护关节减少伤害非常重要。通过含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型,仿真分析了在步态发生变化时膝关节股胫关节的接触力学特性。仿真分析表明:步态变化后股胫关节内外侧接触面积和接触应力发生了变化,内收外展角度的变化比内外旋角度的变化对膝关节生物力学特性的影响大,膝关节外旋同时出现外展时会加重股胫关节外侧的应力。     

步态变化对人体膝关节接触生物力学特性的影响

步态变化对股胫关节接触生物力学特性影响的量化研究对人们认识关节的力学行为,保护关节减少伤害非常重要。通过含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型,仿真分析了在步态发生变化时膝关节股胫关节的接触力学特性。仿真分析表明:步态变化后股胫关节内外侧接触面积和接触应力发生了变化,内收外展角度的变化比内外旋角度的变化对膝关节生物力学特性的影响大,膝关节外旋同时出现外展时会加重股胫关节外侧的应力。     

电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理与方法

建立了膝上假肢—残端系统的动力学方程,用解逆动力学问题的方法得出实现最佳步态所需的膝关节控制力矩。为实现对膝力矩的控制,研制了应用新型智能材料—电流变液的阻尼器及相应的微型数控高压电源。通过对步行速度的测量可以启动存储于单片机中相应的力矩模式,从而实现跟踪步行速度的膝力矩自动控制。与步速相适应的膝力矩模式是通过使假肢侧学习健侧步态的学习系统获得的。实验表明这种控制方法是有效的。     

前交叉韧带重建术后12个月大腿肌肉等速肌力特征

为了分析前交叉韧带(ACL)重建术后12个月患者的大腿肌肉在不同屈膝角度时的等速肌力特征,对16名ACL重建术后12个月的患者和14名健康对照者在60°/s的角速度下进行股四头肌和腘绳肌的等速向心和离心开链肌力测试,分析不同等速收缩模式下的肌力峰值及不同屈膝角度时的肌力,并计算腘绳肌与股四头肌等速向心肌力比值(Hc/Qc)、离心肌力比值(He/Qe)、腘绳肌离心与股四头肌向心肌力比值(He/Qc)和腘绳肌向心肌力与股四头肌离心肌力比值(Hc/Qe)。应用混合设计双因素方差分析方法,检验不同人群和不同侧别对大腿等速肌力特征的影响。结果表明,腘绳肌等速肌力在不同屈膝角度时的特征相似,ACL重建侧显著小于对侧,与健康对照者无显著差异。股四头肌等速肌力呈现角度特异性,屈膝40°和50°时重建侧的股四头肌等速向心肌力不仅与对侧存在差异,也与健康人群不同,是更具特异性的评估肌力特征指标。在康复过程中,不仅要关注双侧对称性,而且要关注其是否恢复到健康者的水平,强调特定角度下肌肉功能的恢复。较小屈膝角度下,双侧下肢的功能性屈伸肌力比值与健康人群均呈现差异,提示术后康复不仅要加强重建侧屈膝动作的控制训练...     

陕西省优秀男子散打运动员膝关节运动特征研究

为探讨男子散打运动员下肢肌力特征,利用IsoMed2000等速测试/训练系统,对陕西省男子散打队12名队员优势侧膝关节进行测试.测试结果表明:膝关节屈伸肌群等速向心收缩时,随着给定运动速度的加快,其峰力矩和总功减小,平均功率增大;离心收缩时,随着给定运动角速度的加快,其峰力矩、总功无明显变化,平均功率增大;等速向心收缩和等速离心收缩时,伸肌群的峰力矩、总功和平均功率均大于屈肌的对应值.测试运动员膝关节肌群力量偏低,应按照散打运动项目特点加强专项力量训练.     

低负荷动态膝关节伸展时血流限制对大腿前群肌肉活动的急性影响

6名男子手球运动员在加压200 mmHg条件下以30%1RM的力量进行三组膝伸展运动,比较膝关节低强度伸展训练中血流受限与未受限时的大腿前群肌肉肌电活动的差异以及自我感觉用力度等级和延迟性肌肉酸痛反应.结果表明:加压组在第一组和第二组训练时股外侧肌振幅均方根(RMS)值显著大于非加压组(P0.05);加压组股直肌在第二组训练时,RMS值出现显著性增加(P0.05).三组训练中,加压组RPE值显著大于对照组(P0.01),实验后24 h、48 h、72 h后视觉模拟评分法(VAS)评分值显著大于对照组(P0.05).急性膝关节血流限制伸展训练可以使大腿前群股外侧肌和股直肌激活程度增加;血流限制方案实施过程中主观用力感觉等级逐渐增大,并导致肌肉延迟性酸痛时间延长.     

男子篮球运动员膝关节等速肌力特征分析

运用瑞士Con-trex多关节等速肌力测试与训练系统,对内蒙古师范大学男子篮球二级运动员双侧膝关节进行等速肌力测试,以获得优秀男子篮球运动员下肢肌力的生物力学特性。结果表明:(1)男子篮球运动员双侧膝关节屈伸肌群峰力矩、相对峰力矩和0.2 s时平均峰力矩随着角速度的增加均呈现降低趋势;相同角速度下,伸肌峰力矩高于屈肌峰力矩,差异极显著(P0.01)。(2)膝关节伸肌屈肌的平均功率和相对平均功率均随角速度的增加而增加;膝关节双侧腿伸肌到达峰值力矩的平均时间与角速度随时间的增加而下降。(3)角速度为180°/s和240°/s时,膝关节双侧腿屈伸肌到达峰值力矩的平均时间和平均角度均差异较小。     

基于AR模型和神经网络的膝骨性关节炎诊断

本文旨在采用表面肌电信号无创性方法诊断和评判膝骨性关节炎,以在早期能够预防和治疗膝骨性关节炎,改善生活质量。在研究中,采集了对照组和膝骨性关节炎患者水平行走时下肢的股外侧肌,股内侧肌,股二头肌和半腱肌的表面肌电信号。利用表面肌电信号建立自回归(AR)模型,提取AR模型参数为特征向量训练BP神经网络,并通过神经网络诊断膝骨性关节炎。实验表明,基于BP神经网络分类器可以得到较好的结果,正确率可达到88%以上。     

不同足地界面对人体三维步态的影响

为了解足地界面对人体下肢运动学、动力学的影响,从实验的角度对受试者在光足、穿球鞋和穿7 cm高跟鞋时的三维步态进行了测试。结果表明在运动学方面:足地界面对踝、膝和髋关节运动均有影响,而且在冠状面内的影响程度远大于矢状面。在动力学方面:穿高跟鞋后,膝关节和踝关节内收力矩峰值增大,踝关节和髋关节弯曲伸展力矩均有变化;沿股骨和胫骨轴向,分别作用于膝关节和踝关节的力增加,沿步行前后方向膝关节和髋关节的力增加。这些变化加剧了关节的磨损,长期积累会造成关节损伤和病变。     

从60 cm高度下落到不同硬度的地面下肢关节的力学响应

研究了从60 cm高度下落到2种不同硬度的地面,即木板地面和海绵垫时下肢关节的力学响应.结果表明:人下落到软的地面上时下肢关节的受力、力矩显著减小,关节的角度变化显著增加,从着地到落地停稳所用的时间显著增加.各关节力矩是外力矩与肌肉力矩共同作用的结果,正确的落地技术应该是3个关节的力矩同时减小,掌握正确的落地技术的实质是掌握正确的肌肉被拉伸与收缩的顺序和大小.从60 cm下落着地后,不论是何种地面条件,3个关节的力矩以髋关节力矩为最大,膝和踝关节肌肉是在髋关节控制下起互相协调作用.     

裸足跑时人体下肢运动学和肌电特征的变化

通过红外光高速运动捕捉测试系统和表面肌电测试系统,分析12名后足着地方式的穿鞋跑步爱好者在最初进行裸足跑时下肢运动学和肌电的变化,探究裸足跑对人体运动特征的影响及其可能机制,以及穿鞋跑转变为裸足跑适应过程的相关问题,为跑步爱好者和运动员选择适合自身的跑步锻炼方式提供理论依据。结果表明:(1)从穿鞋跑转变为裸足跑后的30 min时间内,人体下肢步态发生了明显变化,髋关节处于较伸的状态,踝关节处于较跖屈的状态,而足着地方式仍为后足着地的跑步方式;(2)裸足跑时,胫骨前肌、腓肠肌外侧头和股二头肌的肌电平均振幅均明显减小,人体已经开始形成神经——肌肉的适应性变化;(3)从穿鞋跑转变为裸足跑是一个循序渐进的过程,30 min的裸足跑练习对于原本习惯穿鞋跑的跑者适应并转变为裸足跑是不够的,跑者需要更长的时间来适应裸足跑。建议今后针对裸足跑时人体步态特征变化的研究应进行更长时间的跟踪测试。     

不同路况下正常步态特征研究

为系统研究人体步态随路况的变化 ,利用人体运动分析系统采集了多个健康人在上下坡、上下楼梯、平地等路况下行走时的位移 -时间和地面受力数据 ,并利用人体下肢刚体动力学模型 ,计算了各路况下髋、膝、踝关节所需力矩。分析结果表明 ,各路况下人体步态差异很大 ,各关节所提供的力矩各不相同。支撑期上楼梯时所需膝力矩最大 ,摆动期上楼梯和上坡时所需膝力矩均较大。各种情况下不仅力矩的数值不同 ,而且力矩的模式也有很大差异。这些数值结果为了解人体运动规律 ,分析异常步态以及康复方法提供了依据     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到了膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;因为患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;由于患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

Dynamic Investigation of Interface Stress on Below-Knee Residual Limb in a Prosthetic Socket

The dynamic effects of inertial loads on the interface stresses between a residual limb and the trans-tibial prosthetic socket were investigated. A 3-D nonlinear finite element model, based on the actual geometry of the residual limb, including internal bones and socket liner, was developed to study the mechanical interaction between the socket and the residual limb during walking. To simulate the friction/slip boundary conditions between the skin and liner, automated surface-to-surface contact was used. The results show that interface pressure and shear stress have a similar double-peaked waveform shape in the stance phase. The average difference in interface stresses between the cases with and without consideration of inertial forces is 8.4% in the stance phase and 20.1% in the swing phase. The results suggest that the dynamic effects of inertial loads on interface stress distribution during walking must be considered in prosthetic socket design.