四连杆膝关节运动学性能仿真软件的实现

目的 实现四连杆膝关节假肢的运动瞬心轨迹的仿真与稳定性分析系统。方法 建立四连杆膝关节假肢瞬心轨迹与稳定性模型,通过labview软件仿真假肢运动特性。结果 该软件以动画的形式显示四连杆膝关节瞬心轨迹,计算出脚尖离地和脚跟着地的x/y值,即髋关节保持稳定所需力矩,并保存相关数据,与实物实验测得的数据比较,软件准确描述四连杆运动瞬心轨迹和稳定性。结论 测试结果表明：通过设计参数,该系统能够动态仿真四连杆膝关节瞬心轨迹的变化,并结合稳定性参数,为四连杆假肢膝关节设计与评价提供了客观依据。     

假肢步态实验平台设计

背景：目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。 目的：实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。 方法：根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。 结果与结论：假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

计及舒适性的膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统性能优化及方法研究

为了提高穿戴舒适性与承载有效性，本文在提出一种膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统原型及其工作机制解析的基础上，对该系统开展静力学优化综合及其方法研究。首先，本文基于系统虚拟样机模型的构建，构造一种计及应力、变形及受力结点占比等要素的综合穿戴舒适度评价指标；其次，基于系统虚拟样机静力学仿真，结合评价指标，开展多目标遗传优化与铠甲层拓扑构型的局部优化综合；最后，通过模型重建仿真数据证实了该系统具有良好的穿戴舒适性。本研究为后续穿戴系统的承载性能及样机建造提供了理论基础。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。 目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。 方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。 结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

一种智能膝关节假肢模型的阻尼参数优化方法

目的 为了提高智能膝关节假肢的穿戴调试效率及行走的步态对称性，提出了一种利用假肢模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化的方法。方法 首先利用多杆刚体系统对智能膝关节假肢构建由膝关节、连杆及阻尼器组成的假肢模型。选择5例测试对象，其中男性3例，女性2例；年龄29～55岁，平均年龄44.20岁（标准差10.45岁）；身高1.52～1.78 m，平均身高1.650 m（标准差0.098 m）；体质量55～75 kg，平均体质量63.60 kg（标准差8.59 kg）；大腿长0.37～0.44 m，平均大腿长0.404 m（标准差0.027 m）；小腿长0.43～0.51 m，平均小腿长0.470 m（标准差0.029 m）；步幅0.56～0.66 m，平均步幅0.610 m（标准差0.038 m）。将不同步速（0.8 m/s、1.2 m/s、1.6 m/s）的健肢侧膝关节角度及足底反力信息导入该模型，结合S.S.Rao Mechanical Vibration的二阶振动理论，以假肢模型与健肢之间的膝关节角度最小均方根误差为优化目标，对阻尼参数（ωd,ζ）进行优化求解。结果 通过对5例测试对象的步...     

机构模型在膝关节生物力学中的应用进展

对膝关节建立有效的机构模型 ,即依据膝关节主要组成部分的功能及相互间连接关系 ,将其抽象为有特定约束和特定材料性质的简单构件 ,最终将膝关节简化为一个有效的机构系统。通过对机构模型进行分析计算可求解膝关节的运动及动力学参数。本文对几种典型的膝关节机构模型进行综述。     

基于便携式步态测试仪的不同接受腔单侧大腿截肢者行走特点研究

目的 探讨穿戴坐骨包容接受腔与四边形接受腔大腿假肢的单侧大腿截肢者在日常生活中行走时的步态差异，为临床制定大腿假肢使用处方提供指导。方法 选取7位大腿截肢患者作为试验组，为患者分别适配四边形和坐骨包容接受腔大腿假肢。同时选取7位年龄、性别、身高和体质量相匹配的健康受试者作为对照组。所有受试者以舒适的步速在室外平路上行走240 m,应用便携式步态测试仪(intelligent device for energy expenditure and activity, IDEEA)采集步态数据，包括7个时空参数和4个加速度参数，通过IBM SPSS Statistics 23对数据进行处理。对比患者穿戴两种假肢与健康受试者之间、患者分别穿戴同种假肢时患侧与健侧之间、患者穿戴两种假肢时患侧之间、健侧之间的参数差异。结果 与健康受试者相比，患者分别穿戴两种假肢行走时，两种假肢健侧和患侧的站立时间和步态周期增大(P<0.05),步速、步频、跨步长减小(P<0.05);两种假肢患侧的摆动时间延长(P<0.05),地面冲击和足落地控制减小(P<0.05);四边形接受腔假肢双侧和坐...     

下肢外骨骼的新型足部机构舒适性优化

为减小在高负重的情况下穿戴下肢外骨骼时足部与地面接触产生的冲击,本文设计了一种用于提高足部舒适性的外骨骼足部机构,并对其影响舒适性的关键指标进行了优化。首先,本文基于步态周期的足底受力特点建立了足部机构物理模型,进而抽象出振动数学模型,并用有限元分析软件ANSYS仿真验证了模型的正确性。然后,本文基于振动数学模型分析了振动参数对绝对传递率的影响,并用数学计算软件MATLAB遗传算法工具箱优化振动参数。最后,本文以白噪声模拟路面高程作为振动输入,利用MATLAB中的可视化仿真工具Simulink并结合振动方程构建加速度仿真模型,进而计算足部的振动加权均方根加速度值。研究结果表明,该足部舒适性机构能够满足减振性与足底压力的舒适性指标。本文为外骨骼足部机构的设计提供了一套较为完整的设计方法,对于其他外骨骼的足部设计以及踝关节康复机构的设计具有借鉴意义。     

基于Fuzzy-CMAC的人体假肢系统智能控制方法研究

由于需要适应患者的参数个性化与步速变化,人体大腿假肢系统参数具有模型非线性与参数不确定性等复杂系统特性,因此需要寻求有效的智能控制方法。以一种自制的液压型智能大腿假肢结构为例,首先建立基于非线性阻尼控制参数与人体髋关节力矩的人机动力学模型,根据智能假腿的复杂系统特性设计一种PD-FCMAC逆动态复合控制模型,实现膝关节轨迹跟踪控制。以所建立的假腿实验样机动力学模型为对象,对PD-FCMAC方法进行实验仿真。实验结果表明,大腿假肢膝关节可以在约0.5 s时间内跟踪好目标曲线,具有良好的实时性与精度,且获得的膝关节阻力矩结果与膝关节角度曲线的循环交变规律一致。     

一种基于表面肌电信号映射人体下肢运动意图的方法

智能膝关节假肢是截肢患者恢复日常运动的重要辅具。对人体下肢运动意图的识别是实现下肢假肢控制的关键。该文针对此问题,提出了一种通过表面肌电信号预测膝关节角度的方法。对表面肌电提取时域特征,通过 BP 神经网络模型建立平地行走过程中表面肌电信号和膝关节角度的映射关系,预测膝关节角度。     

步态周期下半月板损伤对膝关节生物力学性能的影响

文题释义：半月板撕裂：膝关节内半月型纤维软骨破裂,撕裂原因主要是由于膝半屈或全屈位下的扭转力所造成。半月板分为内侧半月板和外侧半月板,内侧半月板较大且固定,外侧半月板较小,实验主要研究外侧半月板撕裂对力学机制的影响。 动态有限元分析：将人体正常完整步态周期作为边界条件施加在膝关节半月板模型中,观察在完整步态周期下半月板以及胫骨软骨的应力变化趋势及所受应力值大小。 背景：目前国内外对膝关节半月板的生物力学分析十分广泛,但大多集中于对膝关节屈曲运动状态下的研究,针对完整步态周期下膝关节半月板生物力学的有限元分析还不完善。 目的：通过对比外侧半月板撕裂模型与健康半月板模型,了解完整步态周期下半月板损伤后的生物力学变化机制。 方法：以健康成年人膝关节CT扫描数据为基础,建立包括胫-股骨、半月板、关节软骨在内的健康膝关节有限元模型,并在健康模型基础上进一步构建膝关节外侧半月板撕裂模型,探究在完整步态周期下膝关节外侧半月板撕裂的生物力学机制,并与健康膝模型进行对比。 结果与结论：①两种模型完整步态周期内的胫骨软骨瞬时应力变化趋势一致,但半月板撕裂模型中胫骨软骨在每一个瞬时受到的应力值均大于健康半月板模型,半月板撕裂模型与健康模型中胫骨软骨所受最大应力值分别为30,20.5 MPa;②两种模型完整步态周期内的半月板瞬时应力变化趋势是一致的,但撕裂模型中完整步态周期内半月板受到的应力均大于健康模型,半月板撕裂模型与健康模型中半月板所受最大应力值分别为69.8,41.3 MPa;③在步态周期的前60%,半月板撕裂模型中的胫骨软骨最大应力分布远大于健康模型,且随着步态周期的增长,接触范围逐渐向软骨外部边缘蔓延;在步态周期的60%以后,作用在胫骨软骨上的应力较小,最大应力的分布范围也比较小;④两种模型中健康内侧半月板应力分布基本一致,而撕裂的外侧半月板最大应力分布范围较健康内侧半月板广,在裂纹周围出现了较严重应力集中现象,且随着步态周期的进行,应力集中区域逐渐向裂纹靠近半月板前角处偏移;⑤结果表明半月板是人体膝关节中重要的承重部件,从生物力学角度可以较为直观地观察到半月板损伤对人体膝关节的危害。 ORCID: 0000-0002-2155-0058(吴铮) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Biometrics of the four-bar link of the cruciate ligaments in projection on the flexion-extension plane of the human knee joint

Measurements on the proportions, angles and position were carried out on the four-bar link of the knee joint, which consists of femur, tibia and the guiding bundle of each cruciate ligament. Based on the these values it was possible to refute Menschik's kinematic concept of collateral ligament function.     

旋转铰链式膝关节假体置换治疗恶性骨肿瘤

背景：在新的辅助化疗和人工假体设计的协助下,肢体恶性骨肿瘤的治疗效果得到大幅度提高,关节置换成为恶性骨肿瘤治疗的主要保肢方法 目的：观察旋转铰链式膝关节假体在恶性骨肿瘤保肢治疗中的疗效。 方法：选择2005-01/2009-10盐城市第一人民医院骨科收治的膝关节恶性骨肿瘤患者15例,均行旋转铰链式膝关节假体置换。置换后采用Enneking肢体肌肉骨骼肿瘤外科治疗重建置换后膝关节功能评估标准进行评估。 结果与结论：15例患者置换后获随访7~51个月。1例置换后出现感染并发症,血沉检查结果升高,经清创、关节松解和抗炎治疗后好转,关节功能得到恢复。置换后患者均未出现肿瘤复发和肺转移病例,无假体松动和体断裂出现。Enneking功能评估,肢体功能优7例(47%),良5例(33%),差3例(20%),优良率达80%。提示应用旋转铰链式膝关节假体置换治疗膝关节恶性肿瘤效果良好,可以保留良好的肢体功能,是一种较为满意的保肢方法。     

一个人膝关节弹性咬合接触的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而根据赫茨理论,建立了在节股骨与胫骨弹性啼合接触的生物力学模型,并获得了膝关节弹性咬合接触的最大咬合接触应力,咬合接触面积和相对咬合接触变形的定解形式,这些解的结果,对于指导临床诊断和治疗膝关节病等均具有重要作用。     

人工韧带修复膝关节交叉韧带损伤

背景：以往治疗膝关节交叉韧带损伤的主要手段是移植重建,最常用的移植材料为自体的骨髌腱骨、半腱肌腱和股薄肌腱。但由于此类移植物存在取材区并发症及韧带化过程中的各种问题,近年来人工韧带的研究受到重视。 目的：认识膝关节交叉韧带的结构及血供特点,以及膝关节交叉韧带损伤后人工韧带重建治疗机制与临床应用特点。 方法：①分析膝关节前、后交叉韧带的组织结构,功能学特点以及血供差异。②分析膝关节前、后交叉韧带损伤的类型及生物力学机制。③分析修复膝关节交叉韧带损伤的材料学分类及特点。④分析人工韧带修复后影响关节稳定性的因素。 结果与结论：修复膝关节前、后交叉韧带损伤时,应首先考虑到前、后交叉韧带的功能及血供情况,选择合适的重建物,使重建时过程简化,操作简单,重建材料的组织相容性较好,达到修复后的解剖与功能的双重建。     

膝关节形态学测量在人工膝关节置换领域的价值及意义

背景：对人工膝关节假体形态尺寸进行观察及测量,并对相关测量统计数据进行人工膝关节形态设计,有利于促进膝关节假体植入后的稳定性和组织相容性。 目的：结合文献探讨形态学测量在临床上膝关节置换中的重要性。 方法：以 “膝关节;假体;测量;设计;置换”为中文关键词,以“artificial knee joint; prosthesis;measure;design;replacement” 为英文关键词。采用计算机检索1998-01/2011-12有关人工膝关节假体设计、测量及膝关节假体植入后相容性的文章。 结果与结论：膝关节的形态学测量即膝关节的三维有限元模型、相关参数及角度、生物力学研究与膝关节假体选择及设计有着重要相关性。膝关节的形态测量有二维和三维测量,以三维测量法精确。膝关节线性尺寸之间、身高与线性尺寸之间均有很好的相关性,所测量的数据在临床上均有应用意义。典型的膝关节三维解剖模型,能为膝关节参数的测量提供一种可靠的方法,提高手术的成功。     

Influence of Meniscectomy and Meniscus Replacement on the Stress Distribution in Human Knee Joint

Studying the mechanics of the knee joint has direct implications in understanding the state of human health and disease and can aid in treatment of injuries. In this work, we developed an axisymmetric model of the human knee joint using finite element method, which consisted of separate parts representing tibia, meniscus and femoral, and tibial articular cartilages. The articular cartilages were modeled as three separate layers with different material characteristics: top superficial layer, middle layer, and calcified layer. The biphasic characteristic of both meniscus and cartilage layers were included in the computational model. The developed model was employed to investigate several aspects of mechanical response of the knee joint under external loading associated with the standing posture. Specifically, we studied the role of the material characteristic of the articular cartilage and meniscus on the distribution of the shear stresses in the healthy knee joint and the knee joint after meniscectomy. We further employed the proposed computational model to study the mechanics of the knee joint with an artificial meniscus. Our calculations suggested an optimal elastic modulus of about 110 MPa for the artificial meniscus which was modeled as a linear isotropic material. The suggested optimum stiffness of the artificial meniscus corresponds to the stiffness of the physiological meniscus in the circumferential direction.     

人工全膝关节置换后关节活动度影响因素的研究趋势

背景：人工全膝关节置换后关节活动度是评价患者对治疗是否满意的关键,是患者膝关节功能恢复的主要观察指标。 目的：分析人工全膝关节置换后关节活动度研究领域的发展趋势,探讨人工全膝关节置换后关节活动度的影响因素。 方法：由作者用计算机检索CNKI数据库2002/2011收录的有关人工全膝关节置换后关节活动度的相关文献,检索时间为2002/2011,中文检索词为“膝关节,人工关节,人工假体,关节活动度”,英文检索词为“knee,artificial joint,prosthesis,range of motion”。共检索到244篇文章,按纳入标准和排除标准对文献进行筛选和分析,共纳入211篇文章。从膝关节置换前膝关节活动度、人工假体类型和置换后康复训练等方面来分析其影响因素。 结果与结论：近10年来,CNKI数据库学术期刊收录膝关节置换后关节活动度研究文献数量呈上升趋势,2010年发表文献量最多为38篇,占总文献量的18.0%;从检索的关键词可见膝关节置换在骨关节炎疾病的治疗中应用最多;相关研究文献的基金资助项目较少;《中国组织工程研究与临床康复》杂志因设有硬组织植入物栏目,发表的相关文献量最多为41篇,占全部文献量的19.4%。文献计量学的分析为中国从事人工全膝关节置换的临床医务工作者提供更有价值的参考信息,影响人工全膝关节置换后关节活动度因素有很多,而且存在很多争议,临床医生应该不断提高治疗技术和康复训练方法,尽可能的恢复患者的膝关节活动功能。     

基于nmsBuilder和OpenSim建立个性化 骨肌模型及其验证

目的 利用nmsBuilder和OpenSim两款软件构建个性化全膝关节置换（total knee replacement, TKR）术后骨骼肌肉多体动力学模型,并用弹跳式和内推式两种步态对构建模型进行验证分析。方法 利用患者骨骼数据,通过nmsBuilder建立骨骼实体、骨标点和肌肉标点,从而自动生成对应参考系统和肌肉,将nmsBuilder生成的骨肌模型导入OpenSim先后执行逆向运动学、静态优化和膝关节接触力分析,最后通过弹跳式和内推式两种步态对模型进行模拟分析,并与实验测量值进行对比验证。结果 除了外侧关节接触力,模型预测的胫股关节接触力幅值和趋势与实验获得数据对比有很好的一致性,构建的骨骼肌肉多体动力学模型可以被用于膝关节研究。结论 利用患者骨骼信息建立的骨肌模型通过输入标记点位置和地面反作用力,可以同时预测出内侧、外侧以及总胫股关节接触力。研究思路可为TKR患者设计个性化膝关节假体提供参考。     

单髁置换胫骨假体后倾角对关节接触应力影响

目的 建立活动平台膝关节单髁置换(mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty, MB-UKA)术前、术后 膝关节有限元模型,研究 MB-UKA 胫骨假体后倾角对关节接触应力影响。 方法 基于健康受试者计算机断层 (computed tomography,CT)及磁共振(magnetic resonance,MR)影像,构建健康膝关节有限元模型,并验证 MB-UKA 术前、术后模型的有效性。 模拟 MB-UKA 胫骨假体后倾 7°手术,将三维运动捕捉系统及力平台相关参数作为有限 元模型输入条件,分别计算外侧间室胫骨平台软骨和聚乙烯衬垫的最大接触应力。 结果 与现有文献结果进行对 比验证表明,健康膝关节和 MB-UKA 术后膝关节有限元模型计算结果较为合理。 MB-UKA 术后胫股关节接触应力 变化较大,聚乙烯衬垫接触应力远大于对侧间室胫骨平台软骨接触应力。 结论 本文所建 MB-UKA 术前、术后有 限元模型较为合理。 研究结果为 MB-UKA 的评估提供了一个可参考的方法。