基于逆向工程的三维仿生膝关节建模

背景：膝关节置换后,要求患肢达到负重, 伸屈及旋转活动,稳定性好。这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。 目的：利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节。 方法：利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建。 结果与结论：得到了非常精确的膝关节三维模型。为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础。     

人工膝关节的生物摩擦学特点

目的：探讨膝关节屈曲活动时的动态特征，为人工膝关节生物摩擦学的研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据。 方法：由第一作者采用电子检索的方式，在中国期刊全文数据库(CNKI：1994/2009)中检索有关人工膝关节运动及摩擦的文献，检索词为“膝关节假体，生物力学，磨损颗粒，仿生滑液”。排除较陈旧的文章及重复性研究，共检索到符合标准的文献22篇。 结果：建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限模型，通过有限元分析，获得与屈曲膝关节的三维相对运动参数，胫骨关节和髋股关节的接触位置和应力等动态力学参数。 结论：人工膝关节磨损性能受到较多因素的影响，多数学者在研究这些因素时以单因素研究为主，对多因素研究较少而且研究主要集中于对实验结果的描述，很少有对关节运动及磨损机制进行深入研究的报道。对人工膝关节运动及摩擦性能的研究需要把运动学和力学与磨损状态结合起来，共同期待今后进行磨损状况的预测。     

六杆机构在假肢膝关节设计中的应用

验证了六杆机构的瞬心线与股骨骼不同的弯曲半径圆心线轨迹相似，阐述了机械六杆机构膝关节在正常运动中的步态分析，为研制新型膝关节提供了一定的理论设计基础。     

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完全可控,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。     

主动型仿生踝关节假肢的设计

背景：与髋、膝关节假肢设计相对比较成熟的技术相比,踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分,也是最为灵活的部分,一直以来研究都比较滞后,相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求。 目的：从生物力学、解剖学和生理学角度出发,设计和研制出能在矢状面内做屈伸运动的主动型仿生踝关节假肢装置。 方法：根据仿生学原理和人体踝关节在步态行走时的受力特点和生理功能,建立二自由度的主动型仿生踝关节的力学模型,设计假肢踝关节的机械结构与控制系统,其主要部件包括仿生踝关节系统、辅助装置、数据控制系统和数据采集系统。 结果与结论：利用研制出的踝关节装置进行系统测试,使用正常人行走时的踝关节角度数据作为输入信号,以步进电机作为动力驱动实现模拟踝关节的运动,通过数据采集系统获得输出的角度数据。测试结果表明仿生踝关节能够跟随输入角度数据运动,实现了仿生踝关节跟随运动的预期目标。     

人工关节材料的仿生性能及临床应用

目的：通过分析国内外常用的金属材料、高分子材料、陶瓷材料和碳质材料人工关节的研究现状，探讨各种假体材料的优势及存在的问题，结合人工关节置换的仿生性原理，对开发新型下肢关节假体材料，提高置换关节使用寿命等重要的现实问题提出发展思路。 方法：以“人工关节，假体材料，仿生性能”为关键词，采用计算机检索万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn/)中1993-01/2009-10有关仿生性人工关节材料实验研究与临床应用的文章，排除重复研究或Meta分析类文章。以22篇文献为主，重点对以下3个问题进行讨论：①人工关节的仿生性原理。②人工关节材料的研究现状。③人工关节的仿生性能及其临床应用。 结果：目前应用于临床的人工关节材料主要是金属材料、高分子材料和陶瓷材料，科研人员正努力探索耐磨损、无毒害的新型材料，尤其是复合型涂层材料和仿生软骨材料，来加速推进接近或实现人体关节性能的假体关节。 结论：人工关节仿生性能的实现是一个多学科交叉研究的系统工程，人工关节仿生需要进一步研究和开发人工关节制作材料，同时要结合结构、功能等特性，深入研究人工关节置换后关节运动的受力合理性，减少对人工关节的磨损速度。临床决策应从人体的整体出发，在经济条件允许情况下，可以考虑人工关节的个性化匹配，量身定做，使之更贴近每个患者的身体结构、关节形状和大小、功能特点以及体质状况。     

膝关节韧带急性损伤修复中人工生物材料的运用

摘要 目的：分析膝关节韧带急性损伤生物力学特点，并对膝关节前交叉韧带损伤后人工生物材料干预下的治疗机制与康复手段进行分类与归纳。 方法：采用电子检索的方式，在万方数据库中检索1996-01/2010-10有关生物材料应用于膝关节前交叉韧带修复的研究文章，关键词为“组织工程，膝关节，韧带，生物材料”。 结果：膝关节是人体运动和负重的重要关节，也是落地缓冲的重要装置，由于运动中存在多种内外部因素致使膝关节前交叉韧带损伤较为常见。组织工程学人工韧带是目前研究的热点方向，人们在支架材料的选择和构建的具体方法，种子细胞的分离和培养方法，细胞因子和表面修饰的应用等方面做了大量的研究，目前运用人工材料治疗前后交叉韧带的康复手段日趋成熟和多样，但各种手段往往利弊犹存。 结论：虽然目前人工韧带还存在不足之处，还不是理想的移植物，不能完全代替交叉韧带，但是人工韧带为前交叉韧带重建提供了一种选择，是交叉韧带重建进展史中重要的一步，尤其在多种利弊犹存的生物学康复手段中，选择个体适宜的康复措施尤为必要。     

人工膝关节置换：技术发展与临床应用及评价

目的：通过临床验证对人工膝关节置换术技术的发展、运用进行综述与评价。 方法：以 “人工膝关节;置换;假体;移植重建”为中文关键词,以“total knee arthroplasty,prosthesis”为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与人工膝关节置换术技术在膝损伤修复中的应用等相关文献;排除重复研究或Meta分析类文章。以28篇文献为主重点对人工膝关节置换术技术中材料的选择与运用、术后注意事项、易出现的术后问题等进行了讨论和综合分析。 结果：人工关节置换术目前常采用的术式有人工全髋、半髋关节置换术,人工全膝关节置换术,膝关节单髁置换术,人工踝关节置换术,全肩、肘工关节置换术和人工手、足关节置换术等。人工关节假体是置入人体内的材料,其形态的设计、表面处理、材料选用、制造工艺以及包装的要求都十分严格。不同膝关节假体的适应证应由膝关节的骨和软组织条件决定、膝关节韧带的质量和状态、关节畸形以及关节软骨破坏的程度决定假体的选择。 结论：选择高质量的假体、不断开发和推广使用其配套器械是全膝关节置换术普及和发展的关键。     

组织工程修复关节软骨缺损的力学状态研究***

背景：力学状态对软骨的正常生理有重要影响,若应力集中过大将造成人工软骨退变和原宿主软骨退化,影响治疗效果。目前的各种力学手段很难实现活体软骨力学状态测量,而有限元动态分析能有效地模拟修补后软骨的受力情况。 目的：通过有限元仿真研究组织工程修复膝关节软骨缺损后人工软骨和宿主软骨的力学状态。 方法：以人体膝关节软骨受滚压部分为研究对象,建立滚动运动下关节软骨的有限元模型。根据行走过程中股骨与胫骨间的滚压边界条件,对软骨在取不同弹性模量、不同压缩量、不同载荷速度及不同缺损大小的情况进行了滚压受力分析。 结果与结论：在滚压载荷下,植入人工软骨弹性模量和软骨压缩量的不同都使人工软骨和宿主软骨受到的Mises应力值变化,二者对修复缺损处软骨Mises应力分布的影响比较明显,是临床治疗软骨缺损和术后康复阶段值得注意的因素。模拟中使用的载荷速度和缺损大小对软骨应力值的影响不明显。当人工软骨弹性模量取某个值时,人工软骨和宿主软骨的Mises应力差别可以达到很小值,二者趋于吻合。应力差别还和个体宿主软骨的力学性能有关,据此,应针对不同病例选择最佳弹性模量的人工软骨植入。     

利用激光扫描和CAD-CAM技术进行膝关节骨骼和胫骨部分仿生制造

膝关节结构复杂,运动功能要求较高。置换后,要求患肢能达到负重、伸屈及旋转活动,稳定性好等目的。这就要求人工制作的膝关节的形状要与人体相匹配[1]。只有形状精确膝关节植入后才能与与周围保留的软组织协调运动[2]。因此这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。本文作者利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建与模拟加工,得到了非常精确的膝关节三维模型和数控加工程序。为临床医学个体化假体快速精确设计与数字化制造提供一种切实可行的方法。     

人工膝关节置换者康复治疗的特征

目的：分析人工全膝关节置换后康复的影响因素,探讨康复治疗的实施方法。 方法：以人工膝关节,置换,康复为检索词,检索中国期刊全文数据库(1999-01/2009-06);以artificial knee joint, athroplasty, rehabilitation为检索词,检索PubMed数据库(1999-01/2009-06),文献检索语种限制为中文和英文。以膝关节的活动度,关节功能,肌力,关节稳定性为评价指标。纳入人工膝关节置换后康复治疗的临床研究,排除动物实验。 结果：计算机初检得到492篇文献,根据纳入排除标准,对人工膝关节置换后康复的临床研究进行分析。人工全膝关节置换后康复训练的主要内容包括疼痛的处理、关节活动度训练、肌力训练、本体感觉训练及行走功能训练。膝关节活动度是评价人工全膝关节置换疗效的重要指标之一,也是大多数膝评分系统中的一个重要组成部分。患者疼痛症状的改善和是否恢复正常行走功能是观察人工全膝关节置换后疗效的重要指标。肌力训练被认为是置换后康复最重要的部分,尽早进行训练不但可以使患者的膝周肌力尽早得以恢复,还可以促进下肢血液循环,预防深静脉血栓形成。 结论：通过康复能尽快恢复患者的肌力、关节活动度和行走能力,同时最大程度控制疼痛。置换后康复活动是否得当,成为直接影响置换效果好坏的重要因素。     

Electromyogram premotion silent period and tension development in human muscle

The EMG silent period has been observed frequently just before rapid movement from a slightly sustained contraction of the muscle. Our experiments were designed to show the relation between the tension developed in an intact human muscle and the occurrence of this silent period. Tension in the knee extensor was obtained from the floor reaction force of a living subject in a squatting position on the basis of a lever ratio-joint angle diagram obtained directly from measurements on an isolated knee extensor muscle of a human cadaver. The muscle tension was calculated under the condition that the floor reaction force in the squatting position passed through the anklebone, and decreased from 8.7 to 0.8 kN with an increase in the knee joint angle from 1.13 to 2.74 rad. When the center of pressure was not assumed, the increased knee extensor muscle torque with a decrease in the knee angle was estimated biomechanically from the free body diagram. Consistently, the EMG recordings confirmed an increased muscle activity with a reduction in the joint angle. The premotion silent period for the knee extensors and their antagonist with movement from the squatting position appeared to be limited to a knee joint angle of 2.44 to 3.07 rad, where the requirement for tension in those muscles was low. This silent period could be interpreted as an electromyographic transitional phase attributable to a switching mechanism in central nervous activity. The premotion silent period was most likely to appear prior to a swift, well coordinated movement.     

肌肉疲劳对膝关节本体感觉的影响

背景：本体感觉的降低将导致身体不能对失衡的状况迅速做出反应,从而导致运动损伤的发生。 目的：观察股四头肌和腘绳肌肌肉疲劳状态对膝关节本体感觉的影响。 方法：14名受试者参加测试,在肌肉疲劳前先对受试者膝关节关节角度位置误差进行测试,然后在90 (°)/s速度下重复进行等速向心运动直至肌肉疲劳,在肌肉疲劳即刻、疲劳后每隔10 min分别进行关节位置觉误差的测试。 结果与结论：肌肉疲劳前关节位置觉误差为(2.85±1.46)°,肌肉疲劳后误差升高为(6.32±2.54)°,肌肉疲劳后40 min,关节位置觉误差恢复到疲劳前水平。因此,肌肉疲劳可造成膝关节本体感觉的降低,使关节受伤的危险性增高。     

国人膝关节尺寸与5种人工膝关节假体尺寸的对照

背景：设计符合国人解剖结构的人工膝关节假体，需要大量国人解剖学研究资料。国内目前尚缺乏与股骨远端、胫骨近端截骨面和髌骨的几何学、形态学相关的数据。 目的：临床收集国人膝关节尺寸与目前国内常用（进口、合资）的5个厂家人工膝关节假体的尺寸进行对照，为设计符合国人解剖结构的人工假体提供依据。 设计、时间及地点：人工膝关节假体的尺寸与临床收集的膝关节截骨后尺寸进行对照分析，于2005-02/10在解放军总医院骨科进行。 对象：初次行人工全膝关节表面置换并在术中保留髌骨的膝关节骨性关节炎及类风湿性关节炎患者77例(105膝)，男23例(32膝)，女54例(73膝)。人工膝关节假体：LINK GEMINI MK II ，40%(42膝)；中国台湾United-U1，34.3%(36膝)；Depuy PFC，16.2%(17膝)；Zimmer NexGen-Flex，9.5%(10膝)。 方法：首先行胫骨近端截骨，采用胫骨髓内或髓外定位，后倾5°~10°截骨，游标卡尺测量胫骨平台横径、内侧平台前后径、外侧平台前后径。然后行股骨远端截骨，股骨髓内定位，假体试模测量股骨远端前后径，股骨远端均采用外翻7°，外旋3°截骨。采用电动摆锯行股骨髁下部、前部、后部、前斜面、后斜面5个方向截骨，测量股骨远端及髌骨相关参数，可在截下来的后髁骨片上测量股骨后髁长度。 主要观察指标：股骨髁前后径、股骨髁前部宽、股骨髁前斜面宽、股骨髁内外径、胫骨外侧平台前后径、胫骨内侧平台前后径、胫骨平台横径。 结果：5种膝关节股骨髁假体的前后径/内外径与国人相比存在明显差异，且比值偏大；而胫骨内侧平台前后径/胫骨平台横径和胫骨外侧平台前后径/胫骨平台横径的比率范围过于集中，胫骨内侧平台覆盖率不佳，外侧平台出现悬挂现象。 结论：5种厂家设计的膝关节假体尺寸及各参数间的比率与国人有所不同，就其总体性能来看并不完全适用于国人。     

全髋置换对膝关节运动状态的影响

背景：处在不同运动状态的人体下肢关节系统,其力学特性和关节变形量具有较大的差别。全髋置换是目前解决髋关节严重疾病的最终方法。明确置换前后人体下肢系统,特别是膝关节对置换的响应对于患者的康复训练具有积极意义。 目的：通过对健康者和行全髋置换后19个月的患者,在相同的测试环境和测试方法下进行数据采集,对比分析髋关节置换对膝关节在运动中关节变形量的影响。 方法：采用NDI公司的动态捕捉系统对行全髋术后19个月的患者进行测量,同时与患者身体状况相似的健康志愿者采用相同的测量仪器和测量方法进行实验。测量内容包括步长,步频,关节转角和关节位移曲线,并根据测量数据计算各关节的速度和加速度。 结果与结论：由于髋关节置换对患者的自然关节状态进行了破坏,虽然置换后的步态没有太大的差别,但是通过实验数据可以发现,膝关节的变化量比正常状态下要大,说明人体自身进行了调节,通过增大膝关节的负荷,增加变形量来弥补由于髋关节手术所带来的损伤。     

开缝手法治疗伸膝装置创伤性粘连的临床评价：多中心、同期随机对照

背景：课题为国家中医药管理局中医临床诊疗技术整理与研究项目之一,项目完成并通过验收鉴定后,将在基层社区及农村地区进行技术推广。 目的：对开缝手法治疗伸膝装置创伤性粘连的疗效进行多中心临床评价。 设计、时间及地点：平行对照、分层随机分组、多中心试验,实验于2003-01/2006-10在河南中医学院第一附属医院、郑州市骨科医院、河南省中医院完成。 对象：选择2003-01/2006-10河南中医学院第一附属医院、郑州市骨科医院、河南省中医院3个中心因创伤导致伸膝装置粘连患者240例。随机分为试验组120例,男78例,女42例;平均年龄(42.50±13.93)岁;对照组120例,男71例,女49例;平均年龄(44.19±12.92)岁。 方法：试验组采用膝部开缝手法,即四指点穴和拔伸屈膝法,对照组治疗采用《中医筋伤学》中的手法。1次/d,治疗30 d,20 min/次。患者对治疗均知情同意。 主要观察指标：①两组治疗前后膝关节活动度、关节功能分级评分、膝关节主动屈曲功能评分。②两组中医疗效比较。 结果: 试验组脱落、剔除19 例,合格率84.17%;对照组脱落、剔除17例,合格率85.83%。 试验组显效率为87.13%,对照组显效率为68.93%,(P < 0.05),试验组显效率优于对照组。两组膝关节活动度、膝关节功能评分、膝关节主动屈曲功能评分、关节功能分级评分比较,试验组优于对照组(P < 0.01)。 结论：开缝手法治疗伸膝装置创伤性粘连,疗效确切,方法安全,具有很强的可操作性和推广价值。     

三维运动学仿真男子举重运动员抓举技术及膝关节运动分析****☆

为了更好地分析抓举技术的运动学特征,并且探讨抓举运动损伤机制以及损伤预防的方法。首先,采用Optotrak Certus运动捕捉系统采集运动员抓举技术的运动学参数;其次,通过人体测量学参数和测量的各关节中心,对运动员骨骼系统进行建模;最后,将测量的Marker点坐标原始数据导入Visual 3D与骨骼系统模型进行关联,实现对抓举技术的三维运动学仿真。通过抓举技术三维运动学仿真结果进行分析,获取膝关节三维运动学参数与杠铃运动学参数,并对抓举技术进行了阶段划分。抓举比赛、训练时,髌股关节反复大强度的挤压牵拉,是导致膝关节慢性损伤的主要原因。伸膝提铃,容易发生半月板急性损伤;发力阶段,容易发生半月板、外侧副韧带和十字韧带急性损伤;惯性上升阶段,容易发生半月板、内侧副韧带和十字韧带急性损伤。结果提示,抓举技术三维运动学仿真的实现,可以作为分析抓举技术运动学、动力学以及应力学的基础,在研究抓举技术动作、发力机制、运动损伤机制和运动损伤预防等方面具有重要的意义。膝关节运动慢性损伤的预防主要应合理科学的编排训练,交替进行不同屈曲度的训练,避免过于集中的腿力训练结构。膝关节运动急性损伤的预防,主要是加强膝关节和周围的肌肉力量的训练,以及膝关节中的侧副韧带、十字韧带的功能锻炼,大强度的训练和比赛时,膝关节使用保护支持带。