仿生人工膝关节机构的运动学分析

膝关节是人体最大最复杂的关节,而膝关节装置作为下肢假肢的核心部件,对仿生特性有较高的要求,文章基于仿生学原理,深入分析了本仿生膝关节的运动学特性,如滚动和滑动比例以及瞬心位置曲线等,进一步研究接近正常运动规律的仿生膝关节.以人体膝关节运动规律为原型进行简化,提出了膝关节生物力学模型,分析了仿生膝关节的滑动比率和滚动比率以及瞬心位置的求法,对膝关节的瞬心曲线进行了探讨和计算公式的推导,以及滚动滑动比率的计算,并将其结果与人体膝关节参数进行比较,两者吻合程度较高.这对仿生人工膝关节的运动稳定性分析以及进一步研究其结构和功能具有理论指导意义,从而为深入研制仿生人工腿奠定基础.     

电控液压膝关节控制方案设计及计算机实例仿真术

膝关节动力学问题是智能仿生人工腿应用研究中的重要内容.针对智能仿生人工假腿,提出了一种简单、通用的电控液压膝关节控制方案,并设计出膝关节似肢的基本结构,建立了非线性动力学模型,同时考虑到了关节间的摩擦问题.最后,通过PD反馈控制器以及自适应控制器的计算机实例仿真实现了步态跟随,从而验证了理论的正确性、有效性.     

等速肌力测试训练仪量化评定肌痉挛

根据摆动试验原理,利用等速肌力测试训练仪测下肢肌股四头肌痉挛的截瘫患者１８例和偏瘫患者１６例,并测试正常１０个,作为对照,进行肌痉挛量化评定,分别记录其摆动曲线,以摆动曲线第一波的幅度（Ａ１）、摆动次数（Ｆ）、摆动时间（Ｔ）、放松指数（Ｒ１）幅度比（Ｒ２）为量化指标。结果：痉挛组下肢摆动曲线比较僵硬,幅度逐渐减少至停止,摆动次数为４－６次。２组测试数值间比较差异有显著性。本方法与目前国际公认的Ａｈ     

电控液压膝关节控制方案设计及计算机实例仿真

膝关节动力学问题是智能仿生人工腿应用研究中的重要内容。针对智能仿生人工假腿,提出了一种简单、通用的电控液压膝关节控制方案,并设计出膝关节假肢的基本结构,建立了非线性动力学模型,同时考虑到了关节间的摩擦问题。最后,通过PD反馈控制器以及自适应控制器的计算机实例仿真实现了步态跟随,从而验证了理论的正确性、有效性。     

社区不同跌倒风险老年人跨越障碍的步态运动学特征分析

目的 探索社区不同跌倒风险老年人在跨越障碍过程中人体运动学参数特征。 方法 2016年7月至9月,采用计时起立-行走测试和五次坐立测试将27例社区老年人分为高跌倒风险组(H组,n = 15)和低跌倒风险组(L组, n = 12),应用美国APAS运动录像分析系统分析跨越障碍时的步态。 结果 H组跨越障碍总时间和跨越腿摆动时间长于L组(t > 2.073, P < 0.05);H组跨越障碍标准化最大质心高度小于L组( t = -2.014, P < 0.05)。位于障碍正上方时,H组两腿膝关节角度均大于L组( t > 2.106, P < 0.05),跨越腿髋关节位移速度小于L组( t = -2.119, P < 0.05);摆动腿踝关节的加速度低于L组( t = -3.038, P < 0.05)。 结论 老年人跨越障碍时间延长、质心高度降低,跨越障碍过程中跨越腿髋关节移动速度和摆动腿踝关节加速度明显降低,均可增大跌倒风险。     

人体起步过程的实验研究——平地行走的起步步态特征

目的：研究人体平地行走的起步过程步态特征,方法：使用基于CCD和三维测力平台的人体运动分析系统,研究正常人水平地面起步过程的步态特征,结果：描述,分析了完整起步过程各步相的特征以及地面对足的三维反作用力规律,结论：／起步过程在第二次摆动腿触地时结束,开始进入稳定步行状态,起步时支撑腿对起步驱动力贡献最大。     

脑电仿生电刺激仪治疗联合吞咽功能及进食训练用于脑卒中后重度吞咽障碍患者的效果观察

目的 观察应用脑电仿生电刺激仪治疗联合吞咽功能及进食训练对脑卒中后重度吞咽障碍患者的效果.方法 120例脑卒中后重度吞咽障碍患者经常规治疗病情平稳后,给予吞咽功能训练及进食训练,同时应用脑电仿生电刺激仪治疗,用饮水试验评价吞咽障碍恢复程度.结果 治疗后患者饮水试验评分降低,吞咽功能有改善.结论脑电仿生电刺激仪治疗联合吞咽功能及进食训练能促进脑卒中后重度吞咽障碍患者吞咽功能的恢复.     

帕金森病患者姿势平衡障碍的定量评定

目的 :客观、定量评价帕金森病患者姿势平衡障碍。方法 :采用日本阿尼玛公司生产的重心平衡检测仪对100例正常人及100例帕金森病患者进行检测 ,分析比较其静态姿势图。结果 :正常人各组平衡参数指标与年龄呈曲线关系 ,重心摆动类型以中心型为主 ;帕金森病患者重心摆动类型以弥散型为主 ,静立稳定性下降 ,重心摆动速度明显增快 ,在4～6Hz摆动明显增高。结论 :人体平衡功能与年龄相关 ;帕金森病患者静立平衡功能下降 ,重心摆动面积增大 ,摆动速度增快 ,在4～6Hz摆动明显增高 ,为其特征性改变。     

假肢膝关节电控液压阻尼缸设计

目的:设计一种用于智能假肢膝关节关键部件的电控液压阻尼缸.方法:该阻尼缸根据液压流体特性和加工工艺设计,通过采用了一种新型微结构数字节流阀以及独特的双活塞液压缸结构,可以实现膝关节伸展与屈曲的双向自动控制,从而使改善假腿步态的对称性.最后,通过自制的专用实验装置对其进行了阻尼缸动力学性能测试.测试时通过微机控制膝关节阻尼缸中的两个气体流量调节针阀,模拟实际IPL控制时对膝关节阻尼力的控制.在模拟不同人体髋关节摆动驱动力和膝关节阻尼力的状态下,测量膝关节阻尼缸的运动速度,从而间接获得了假腿阻尼、惯性力与膝关节摆动速度之间的动力学关系.结果:阻尼缸在针阀开度增加时,在相同驱动力作用下,阻尼缸活塞运动时间减小,速度加快.但随着开度增加,运动速度对驱动力的敏感性降低.步进电机驱动相对应的针阀减小开度时,阻尼缸阻尼力增大,腿的平均摆动速度加快.结论:所设计的液压阻尼缸能够满足假肢膝关节的动力学控制要求.     

连续顺序追踪超声法在诊断人体鱼序列征中的价值

目的 探讨人体鱼序列征的产前超声影像特征及连续顺序追踪超声法在产前诊断人体鱼序列征中的应用价值.方法 对2004年1月至2010年12月来我院行胎儿系统超声检查及11～13+6周颈项透明层(NT)检查的孕妇运用连续顺序追踪超声法检查胎儿四肢,对疑有人体鱼序列征的胎儿使用高频探头对四肢进行详细扫查,根据胎儿下肢发育不良程度和并腿严重程度进行超声分型(Ⅰ～Ⅶ型).产前超声诊断结果与引产胎儿X线及尸检诊断结果进行对比分析.结果 运用连续顺序追踪超声法产前诊断胎儿人体鱼序列征8例4个类型:双足并腿畸形7例(Ⅰ型2例,Ⅱ型3例,Ⅲ例2例),无足并腿畸形1例(Ⅵ型),未发现Ⅳ型、Ⅴ型(单足并腿畸形)和Ⅶ型(无足并腿畸形)胎儿;8例均合并肾脏畸形,均伴发单脐动脉起源于高位腹主动脉;其中6例无羊水,1例羊水过少,1例羊水正常.8例引产后X线及胎儿标本外观检查(尸检6例)结果与产前超声诊断结果均符合.结论 中、晚孕期发现胎儿双肾缺如或双肾囊性发育不良导致无羊水时应高度警惕该畸形的发生.单脐动脉起源于高位腹主动脉为该畸形的特异性表现.11～13+6周因羊水量正常为该畸形检出的最佳时机.产前连续顺序追踪超声法是诊断人体鱼序列征准确、可靠的检查方法.     

基于模糊控制的智能下肢假肢的步速调整

背景:传统下肢假肢只允许以一种速度行走,不能随步行状态的改变而改变,使得步速也固定单一,不能适应不同步速的变化,适应性较差。目的:采用模糊控制方法实现假肢的步速跟随。方法:通过脚底压力传感器采集步态周期信息,根据不同开度下周期的不同变化采用模糊控制的方法来调整针阀开度的大小,通过永磁式直线步进电机作为执行器驱动针阀来控制缓冲气缸腔室间气道有效截面积来调整假肢摆动速度。结果与结论:在步行速度变化时,假肢膝关节角度有所变化,但是角度变化不大。最大值不超过80°。假肢步态变化小于11°,截肢者能够适应不同的步行速度,假肢与健肢的步态变化基本一致,对称性指数在90%以上。实验结果表明,步态周期可以通过控制针阀达到调整步速的目的,步速调整的模糊控制方法是可行的。     

智能下肢假肢传感器的应用

背景:下肢运动是一种复杂的运动,采用合适的传感器获取人体运动生理信息,成为智能假肢控制的前提.国际上现有的下肢假肢控制信息源为与运动信息有关的物理量,这类信息可以直接反映人体运动的生物力学特性,采集比较简单,非常适合实时控制.现有智能下肢假肢产品根据采用的控制方法不同选择一种或几种传感器测量人体运动信息.目的:研究一种能够采集智能下肢假肢控制所需人体运动信息的传感器系统.方法:对智能下肢假肢带固定式气缸阻尼器的四连杆机械机构进行运动分析,得出四连杆后臂下轴电位计输出信号与膝关节弯曲角度的对应关系,同时,选取合适的霍尔传感器安装位置,解决了其中存在的双值问题.设计了传感器输出信号采集实验,通过跑步机速度调节来保证步行速度安全可控,测量不同步速下脚尖离地时刻膝关节弯曲角度,分析采集结果找到了它们之间的对应关系.结果与结论:脚尖离地时刻膝关节弯曲角度随着步行速度增大而增大,采用二次曲线拟合取得了较好效果.实验结果显示,水平步行状态下,采用电位计和霍尔传感器作为检测手段能够检测下肢假肢的步速,也能区分支撑期和摆动期.     

六连杆假肢膝关节优化设计

目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态,设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态;在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过１．９６％。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时,在摆动期内膝、踝关节运动轨迹,以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果,能够有效改善患者步态。     

Evolution in prostheses for sprinters with lower-limb amputation]

For about 15 years, technical advances in prosthetic treatment have been the main factor in the increased performance of athletes with lower-limb amputation. For trans-tibial amputation, the prosthesis for sprinting is composed of a gel liner and a socket joined by a locking or virtual vacuum liner. Because of these dynamic properties, the carbon prosthetic foot equipped with tacks ensures outstanding performance. For trans-femoral amputation, a hydraulic swing and a stance control unit are added to the same prosthesis. In comparison with the able-bodied runner, athletes with amputation have smaller loading times in the prosthetic limb and larger ones in the sound limb. The length of the energy-storing prosthetic foot is determined by the "up-on-the-toes" running gait. The sprinting gait with trans-tibial amputation is almost symmetrical. The hip extensor effort is the main compensation of propulsion reduction with lower-limb amputation. With trans-femoral amputation, the lack of knee increases the asymmetry. The total prosthetic knee extension (early in late-swing phase and lasting during total stance phase) compensates with extension of both hips, especially the opposite one. The amputation and sound limb load transfer with lumbar hyperlordosis concern the pelvis, trunk and shoulders. Because of athletes with amputation, research in prosthetic treatment has progressed. The development of orthotics and prostheses for such athletes has benefited non-athletes with amputation.     

模拟心室驱动曲线对机械瓣流体动力学性能的影响

背景:脉动流模拟循环装置是评价人工心脏瓣膜流体动力学性能的最佳手段,而脉动流模拟循环装置本身的性能,尤其是模拟心室驱动曲线对机械瓣流体动力学性能的影响研究较少.目的:观察在生理条件下模拟心室驱动曲线对机械瓣流体动力学性能的影响.设计、时间及地点:对比观察实验,于1999-04/2000-02在四川大学建筑学院生物医学工程中心流体力学实验室完成.材料:采用脉动流模拟循环装置,设定模拟心输出量为4 L/min,模拟心率为75次/min.方法:脉动流模拟循环装置系统的主动脉瓣位置入25 mm CarboMedies双叶瓣,二尖瓣位置入27 mm Bjork-Shiley侧倾碟瓣.调用系统中的标准心室驱动曲线,调节测试系统各参数,维持主动脉压在16.0/10.7 kPa(120/80 mm Hg),实验流体为生理盐水-甘油混合液,黏度为3.5mPa·s(3.5Cp),密度1.06 g/cm3.维持模拟循环系统整个状态不变,即舒张末期心室容积、主动脉顺应性、外周阻力和外周顺应件等不变.设定模拟心输出量为4 L/min,模拟心率为75次/min,收缩时间0.37 s,通过对标准心室驱动曲线上若干点的坐标进行修改,确定4个控制曲线;最后对以上曲线进行自动插值、拟合、波形光滑、滤波处理,得到最终4个控制曲线,并逐一测试每一控制曲线下的流体动力学性能.主要观察指标:观察5种心室驱动曲线情况下机械瓣平均跨瓣压差、有效瓣口面积、关闭量和泄漏量的变化.结果:生理范围内,心室驱动曲线形态上的改变,对测试瓣膜的平均跨瓣压差可产生2.9%的变异,有效瓣口面积的变异在1.5%,关闭量在6.6%,泄漏量为3.6%.结论:机械瓣的流体动力学性能受心室驱动曲线的影响,从而对瓣膜流体动力学性能评价的客观性和可比性产牛不利作用.     

Walking symmetry and energy cost in persons with unilateral transtibial amputations: matching prosthetic and intact limb inertial properties

OBJECTIVES: To investigate the hypothesis that increasing the mass and moment of inertia of the prosthetic limb of people with unilateral, transtibial amputations to match the mass and moment of inertia of the intact limb improves walking symmetry without increasing energy cost. DESIGN: Gait symmetry and metabolic energy cost of walking for six subjects with unilateral, transtibial amputations were evaluated under three prosthesis loading conditions. SETTING: University research laboratory. SUBJECTS: Six ambulatory individuals with unilateral, transtibial amputations. INTERVENTIONS: Subjects walked at 1.34 m/sec under three prosthetic limb loading conditions: (1) no added load; (2) loading that produced a match of prosthetic shank and foot mass and moment of inertia with those of the intact limb (100% load); and (3) a load that was half that of the 100% condition (50% load). MAIN OUTCOME MEASURES: Step length, swing time, stance time, and metabolic energy expenditure. RESULTS: As mass and moment of inertia of the prosthetic limb became more closely matched to the intact limb, step length, swing time, and stance time became less symmetrical. Energy cost for the 100% load condition was significantly greater (6% to 7%) than the baseline and 50% conditions. CONCLUSIONS: The loading configuration required to produce a match in the moments of inertia of the prosthetic and intact lower legs resulted in greater gait asymmetry and higher energy cost.     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计

背景:由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配.计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点,可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题.国内的研究尚处于起步阶段.目的:基于CT图像的三维重建,探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用.方法:CT扫描对象为1例健康男性志愿者,排除髋关节疾患.采用GE Speed Light 16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3 mm扫描,得到CT数据的二维图像,利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式.对位图编辑预处理,用Mimics8.1软件进行矢量化处理,提取股骨内外轮廓.然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中,生成股骨内外轮廓的特征曲线,重建股骨三维模型.将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入计算机辅助设计建模软件Solidworks2004中,以此股骨髓腔轮廓为基础,完成个体化股骨假体的设计.结果与结论:利用自主开发的数据格式转换软件,实现了CT图像信息的矢量转换.以CT二维图像为依据,进行三维反求,可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型.采用反求工程与正向计算机辅助设计相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体.提示反求工程和计算机辅助设计技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径,解决假体与病变骨骼的良好匹配,可防止假体松动,提高其长期稳定性.     

Motor branch block of the rectus femoris: its effectiveness in stiff-legged gait in spastic paresis

OBJECTIVE: To verify the efficacy of motor branch block of the rectus femoris for stiff-legged gait in spastic patients. DESIGN: Before-after treatment trial. SETTING: University hospital physical medicine and rehabilitation department outpatient clinic. PATIENTS: Thirty-one adult spastic patients with stiff-legged gait. INTERVENTION: Motor branch block of the rectus femoris with 2% lidocaine and 5% phenol. OUTCOME MEASURES: Subjective assessment of gait performance by patients themselves and objective assessment of gait speed and sagittal knee kinematics. RESULTS: Seventy-four percent (23/31) of patients felt an improvement (improved knee bending, disappeared toe dragging) after nerve block with lidocaine. Sixteen of 17 patients with an abnormal swing phase activity of the rectus femoris without that of the vastus medialis or lateralis and 20 of 23 patients with a sufficient hip flexor strength expressed an improvement subjectively. Gait analysis showed increased maximal knee flexion at swing phase and increased slope of knee flexion curve at toe off (p < .05). Phenol block was performed in 19 of 23 patients who had had a subjective improvement in their gait performance after nerve block with lidocaine. Gait speed, maximal knee flexion angle at swing phase, and slope of knee flexion curve at toe off increased significantly after phenol block (p < .05). CONCLUSION: Motor branch block of the rectus femoris can be an effective treatment in stiff-legged gait. Its effect is varied with hip flexor strength and dynamic electromyographic findings of quadriceps.     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对EnnekingⅡ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。