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。     

含半月板的活体股胫关节接触特性有限元分析

股胫关节接触生物力学研究是人们保护关节减少伤害,理解关节软骨退化造成骨关节病力学成因的关键.该文利用一系列活体膝关节磁共振断层扫描图像(MRI), 构建了含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型.探讨了用有限元显式非线性动力学方法求解关节间存在相对滑动和摩擦时股胫关节接触特性,并模拟分析了在步行过程中外载荷变化时股胫关节的接触力学特性.仿真分析表明: 在载荷增加时,股胫关节接触面积增加,而股胫关节内外侧接触面积之比几乎不变,内外侧平均接触应力基本相等.     

跑步机坡度与运动时膝关节力学关系分析

运用运动生物力学实验方法,进行在跑步机上健身跑运动试验,测试获得在0°,2°,5°,8°四种坡度下,膝关节一个步态周期支撑时相和摆动时相,膝关节角度、角加速度、髌韧带张力、胫股平台力、地面支撑力等参数.分析研究发现,股四头肌髌韧带张力在0°～2°增加显著,胫股平台反作用力在2°～5°减小显著,跑步机坡度2°～5°时适合健身跑.     

利用表面肌电信号的下肢动态关节力矩预测模型

为实现表面肌电信号的下肢关节力矩动态解码,建立了从表面肌电信号到关节力矩输出的人体下肢运动系统正向生物力学模型。首先,从幅值和频率两个角度建立表面肌电信号到骨骼肌激活程度模型;其次,根据肌丝滑移理论,构建反映骨骼肌生理结构和微观力学特性的肌肉力模型,同时确定活动肌肉拉力线方向及力作用点位移矢量,将骨骼肌力转换到关节力矩;最后,以牛顿-欧拉逆动力学方法获得关节力矩作为准确值,给出正向生物力学模型参数动态标定方法。在模型基础上,对4名对象进行随意步态下膝关节屈伸动态力矩预测试验,结果表明:所建模型对步态行走下的膝关节动态关节力矩具有很好的动态跟踪性能,最大绝对误差为(11.0±1.32)N·m,平均残差为(4.43±0.698)N·m,预测值与准确值之间的平均线性相关系数为0.927±0.042,验证了该方法的正确性和有效性;可为康复训练机器人人机协同过程中的力学交互模式研究提供接口。     

奔跑四足机器人腿结构设计与分析

针对四足机器人奔跑运动对腿结构高缓冲性能的要求,基于动物狗前腿的骨骼-肌肉生物力学特性,设计了一种奔跑四足机器人的腿结构.该腿结构有3个关节,具有3个自由度,髋关节、膝关节具有主动的俯仰自由度,踝关节具有被动的俯仰自由度.对该腿结构进行了动力学分析和刚度特性分析,并对机器人进行了bound步态的仿真.仿真结果表明,该腿结构能够实现四足机器人快速、稳定地奔跑,关节驱动力矩较小,验证了该腿结构实现四足机器人bound步态奔跑的可行性和合理性.     

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。     

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。     

前交叉韧带重建术后步行过程中的生物力学特征

 为明确前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）重建术后动作模式的改变情况,应用三维运动捕捉系统和表面肌电系统同步采集ACL重建术后患者在步行过程中的运动学、动力学和肌电数据。结果发现,与健侧相比,术侧膝关节屈曲角度峰值和屈伸活动范围均显著减小,但承重反应期的外旋幅度显著增加;术侧承重反应期膝关节伸直力矩峰值、支撑相末期膝关节屈曲力矩峰值和外旋力矩峰值均小于健侧;术侧股直肌在承重反应期的激活程度、股二头肌和半腱肌在摆动前期的激活程度均大于健侧。结果表明：ACL重建术后6~12个月（7.4±1.3月）步态呈僵硬特征,大腿肌群激活程度增加。建议ACL重建术后针对肌肉功能特征及步态特征的改变进行精准康复干预,改善术后效果。     

基于Matlab的人体膝关节动力学仿真平台设计

在对小腿运动学和膝关节动力学分析的基础上,开发了一款基于Matlab的各种步态下人体膝关节动力学仿真平台.基于反向动力学原理,编写了Matlab计算程序,设计了仿真平台的图形用户界面(GUI),通过读取运动捕捉系统采集的下肢运动信息及三维测力台的支反力,实现了各种步态下膝关节关节力、关节力矩的快速计算.以正常步态为例,通过对一名健康人体右侧膝关节分析,并与Visual 3D软件结果进行对比,验证了该平台的可靠性,从而为人工膝关节置换和膝关节康复运动评定提供了一种新的分析工具.     

基于复合摆线的下肢假肢步态规划及运动仿真

摘 要 针对现有假肢产品步态质量不佳的问题,结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计了一种磁流变阻尼下肢假肢。基于复合摆线理论对下肢假肢进行了步态规划,并对所得轨迹曲线进行了优化。通过对轨迹曲线的逆运动学求解,得到了下肢假肢的膝关节和髋关节曲线。为验证关节曲线和下肢假肢结构设计的合理性,采用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真吧,并且利用关节电机进行轨迹跟随实验。结果表明,在关节曲线的驱动下,下肢假肢能够实现连续稳定的行走,具有良好的步态特性。     

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。     

前交叉韧带移植物种类及拉力影响的有限元模拟

为了研究肌腱移植物种类及拉力对前交叉韧带重建长期效果的影响,在经过有效性验证的人体膝关节有限元模型(包含骨、半月板、软骨及主要韧带)基础上,对比了134N胫骨向前推力下两种移植物种类(双股及四股肌腱移植物)及3种重建后远期时的移植物实际拉力(0N,20N和40N)对关节稳定性及韧带受力的影响。结果表明:移植物实际拉力的增大会导致膝关节胫骨向后内侧移动并伴有外旋及外翻;移植物的受力也会变大,但应力分布并没有明显变化。由重建后远期时的膝关节稳定性及移植物受力结果可得,使用双股肌腱移植物且初始拉力为80N时,前交叉韧带重建的长期效果与完好关节最为接近。     

运动捕捉技术的跑步运动损伤分析

跑步是重复性较高的运动,对膝、踝关节的损害较大。采用Vicon MX光学运动捕捉系统捕捉人体跑步运动的步态数据,结合生物力学、运动学原理构建膝、踝两关节的运动数据曲线并对特征曲线进行分析,最后得出跑步过程中的半月板、膝关节韧带、踝关节韧带等损伤的影响因素。研究成果可应用于人体生物力学分析及指导健身器械的构建。     

不同屈曲状态下固定轴和移动轴膝关节胫-股关节的生物力学变化

全膝关节置换术是治疗膝关节疾病有效方法,但对于固定轴和移动轴膝关节假体的优劣还未有统一的观点。以往对两种假体也有对比验证,但绝大多数都是静态模拟。首先构建健康自然膝关节有限元模型,然后分别建立含有上述两种假体的膝关节,通过动态模拟膝关节屈膝运动,计算出胫-股关节的接触应力和接触面积变化。结果发现:固定轴和移动轴人工膝关节在0°～90°屈膝角度下随着角度增大,接触区域由胫骨衬垫的前方转移到其的后方,胫-股关节接触应力不断变大,在90°时达到最大。移动轴间的胫-股关节接触压力始终小于固定轴,接触面积始终大于固定轴。随着屈膝角度加深,两种假体聚乙烯垫上的接触应力逐渐变大,接触面积随着逐渐变小。且两种假体接触应力无显著性差异,而假体接触面积有显著性差异。结果显示:在接触应力相同的情况下,接触面积越大,越不容易产生应力集中,越不易发生磨损,有助于延长膝关节使用寿命,因此移动轴膝关节假体优于固定轴膝关节假体。此研究可为临床假体移植类型的选择提供一定参考。     

足底驱动截瘫助行的仿真研究

为了研究足底驱动助行方式运用于截瘫患者着地行走中的可行性,该文分析了足底驱动式辅具相比于髋-膝关节驱动式助行辅具在行走训练中的优势。研究通过仿真、对比分析和实验验证的方法,对正常行走步态和早期康复患者存在的滑步步态进行了关节角度变化分析,论证以滑步步态为依据设置足底驱动助行辅具的可行性;建立了正常步态和滑行步态的运动学模型,采用足底驱动方式虽使整体的运动复杂性增加,但同时将允许髋关节实现更多的活动模式;对正常步态和滑行步态的驱动力矩进行了评估,表明滑行步态所需要的驱动力更小,符合早期康复患者的移动特征。采用足底驱动式助行策略的辅具在适应截瘫患者差异性步态方面较髋-膝关节驱动式助行存在较佳效果,因此将提高辅具的易用性和适配性,应可视为下肢功能较弱或康复进度不理想患者的另外一种可供选择的助行方式。     

考虑能耗优化的双足步行机器人柔性关节研究

为了优化双足步行机器人行走过程中的能量消耗,建立机器人的柔性踝关节和柔性膝关节,分析在机器人单腿支撑阶段,矢状面运动中柔性关节的刚度对关节电机输出转矩和能量消耗的影响。首先,建立双足步行机器人的5连杆模型,分别在该模型的踝关节和膝关节对柔性进行改进;其次,采用基于零力矩点(zero moment point,ZMP)稳定判据的步态规划方法,通过给定ZMP轨迹获取机器人质心轨迹,插值得到机器人在刚性路面的离线步态;最后,基于改进的柔性关节5连杆步行机器人模型,分别采用拉格朗日方程解析法和虚拟样机动力学仿真法,分析柔性踝关节和膝关节的刚度对关节电机输出转矩和能量消耗的影响。研究结果表明:适当选择柔性关节的刚度可以有效地减小关节电机的输出转矩和能量消耗;柔性踝关节和膝关节分别存在1个最佳刚度,在此刚度下关节电机的能量消耗可以降到最小,与解析法中刚性关节相比分别减小89.87%和90.11%,与动力学仿真中刚性关节相比分别减小88.66%和81.23%。     

生物力学研究前沿系列

正总主编:姜宗来,樊瑜波上海交通大学出版社出版生物力学是一个生物学、力学和医学深度交叉融合的学科领域,也是生物医学工程学科的重要组成学科。《生物力学研究前沿系列》立足世界科技发展前沿,旨在总结和展示近十多年来中国生物力学学科相关研究领域取得的成果,内容涵盖生物力学建模仿真与应用、血管力学生物学、细胞分子生物力学、组织修复生物力学、骨与关节生物力学、口腔力学生物学、眼耳鼻咽喉生物力学、康复工程生物力学、生物材料力     

矢状面髌骨形位参数变化对伸膝机构影响研究

为研究全膝关节置换术后髌骨部分形位参数的变化对伸膝机构性能的影响,建立了以交叉四连杆股胫关节模型为基础的、包含髌股关节模型的矢状面膝关节模型.在伸膝力矩不变的条件下,通过改变髌骨轴线位置,模拟髌骨厚度和高度以及髌骨倾角的变化.计算得到髌骨形位参数变化前后与伸膝机构相关的动力学参数,包括股四头肌力、髌韧带力及髌股关节接触压力的变化.结果表明,髌骨适当后倾对增强伸膝机构功能有利.髌骨厚度处理应根据病患实际情况而定.     

仿猎豹四足机器人结构设计与分析

为满足四足机器人高速奔跑运动性能所要求的脊椎具有柔性和腿结构具有良好的缓冲性能要求,在仿猎豹四足机器人上设计了一种液压驱动的柔性脊椎和腿结构.该脊椎是变截面梁,中间有柔性.该腿结构有髋关节和膝关节,有3个自由度,髋关节有2个主动自由度,即侧摆自由度和俯仰自由度,膝关节具有被动的俯仰自由度.对该脊椎进行了力学分析,对该腿结构进行了刚度特性分析和运动学分析,并对机器人进行了Bound步态仿真.仿真结果表明,这种具有柔性脊椎和非线性刚度变化的腿结构的仿猎豹四足机器人,能够以Bound步态实现较快的稳定奔跑,且足端接触力较小,由此验证了柔性仿猎豹四足机器人脊椎和腿结构的设计是有效的.      

人体关节接触力学、摩擦学与假体材料

人体关节与软骨的力学性能和生物学行为 ,关节的保健与康复 ,均受关节软骨承受的载荷的影响 .研究关节在静、动载荷下 ,两相软骨层的接触力学与摩擦学对临床医学和假体移植以及仿生机械均有重要意义 .这里对有关接触力学、计算模型、边界摩擦模型以及关节移植假体材料摩擦学特性的近期研究成果与以综述