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。     

人体下肢多体动力学仿真和步态稳定性实验研究

人体下肢是人进行步行运动的主要工具,下肢的肌肉骨骼系统是步行的执行机构,正常的下肢功能保证了人们的日常活动;下肢损伤会引起人们运动障碍,下肢运动障碍康复者虽然具有行走的能力,但是其稳定性和平衡性较差。本文着眼于人体下肢,总结并阐述了人体下肢多体动力学仿真以及步态稳定性的实验研究进展,展望了其发展趋势,旨在为临床康复治疗及康复设备的设计与开发提供帮助与数据支持。     

偏瘫患者步态特征的动力学仿真分析

目的研究偏瘫步态特征与下肢异常肌力之间的内在关系,阐明导致偏瘫步态的肌力原因并为临床治疗提供建议。方法以偏瘫步态和正常步态为研究对象进行建模仿真,通过正常步态下仿真模型与实测数据对比验证模型有效性,对两种模型的运动学数据、地面反作用力(ground reaction force,GRF)及肌力等特征曲线进行差异分析。结果 LifeMOD仿真结果与测力台实测GRF曲线复相关系数为0.922,动力学模型合理有效。偏瘫步态患者初始着地期胫前肌肌力小导致踝关节背屈不足,摆动前期腓肠肌肌力小,起不到蹬离推动作用。结论胫前肌、腓肠肌软弱无力是偏瘫患者出现足下垂等偏瘫步态特征的主要原因,LifeMOD建模仿真可协助诊断偏瘫患者的异常肌力。     

基于不同刚体模型对老年女性步态的仿真研究

目的比较不同的多刚体模型在模拟老年女性步行过程中的仿真精度,并在最优模型的基础上探索行走速度对膝关节负荷的影响。方法在人体运动仿真软件ADAMS/Life MOD中分别建立19个环节(M1)、16个环节(M2)和12个环节(M3)的个性化人体模型和地面,并依次进行步态的仿真研究。结果综合比较3种模型仿真得到的垂直地面反作用力、步行时间和下肢关节角度,M2模型最适用于重现步态的实际情况。当老年女性加快步行速度时,垂直地面反作用力峰值、膝关节力矩和功率峰值都得到明显提高。结论建议老年女性多加强股四头肌的力量锻炼,以改善其步行行为。同时,研究结果在临床上也可为膝骨关节炎患者的康复治疗提供参考依据。     

老年糖尿病患者的足底压力及步态特征

BACKGROUND: Plantar pressure is one of the major risk factors for diabetic footulcers.     

模拟低重力下步态行走的下肢生物力学分析

目的研究重力水平对步态行走时下肢关节运动的影响规律。方法设计一种可随动悬吊式低重力模拟装置用于不同重力水平的模拟,利用运动捕捉系统和三维测力台对12名受试者在正常重力(1 G)、火星重力(1/3 G)及月球重力(1/6 G)下步态行走时下肢关节运动参数进行测量。结果重力水平降低后,髋、膝关节矢状面的活动范围显著减小(P0. 01),踝关节矢状面的活动范围显著增加(P0. 05),1 G重力下髋、膝关节、踝关节矢状面的活动范围分别为45. 2°、67. 7°、32. 5°,1/6 G重力下髋、膝、踝关节矢状面的活动范围分别为25. 1°、50. 8°、42. 4°。低重力环境下,下肢关节在矢状面上的关节力和力矩明显减小(P0. 01)。结论本研究得到的低重力下步态行走规律与以往使用跑步机得到的研究结果大体相同。航天员在地面可以使用跑步机在低重模拟装置的帮助下开展针对性的月面行走训练。     

下肢外骨骼康复机器人关节运动轨迹分析与步态测试研究

本研究针对一款下肢外骨骼康复机器人(lower limb exoskeleton rehabilitation robot,LLERR)进行了关节运动轨迹分析与步态测试研究.分别通过D-H法和拉格朗日法对外骨骼机器人单侧下肢进行运动学和动力学建模分析,得出各运动关节间运动学与动力学关系.通过虚拟样机仿真验证提出的外骨骼...     

下肢运动信息采集与运动仿真

目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型,进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据。方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息。利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析。基于Matlab中Simulink的机械仿真模块（SimMechanics）建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号。基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制。结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证了模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现了平地行走功能。结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用。     

前交叉韧带重建后静态站立及步行时的平衡和步态特征

背景：前交叉韧带断裂是常见运动损伤之一,一般采用前交叉韧带重建治疗,术后常出现平衡及步行能力下降,目前缺少相关的全面对比研究。目的：探究前交叉韧带重建后患者静态站立和步行时的平衡及步态特征,并与健康人做全面对比分析,为康复方案的制定提供科学指导。方法：选择前交叉韧带重建后6-8周患者和健康人(健康对照组)各23例,利用足底压力平板采集静态站立时足底压力中心95%置信椭圆面积、路径长度、平均移动速度及长短轴长度,同时采集步行时的足底压力中心位移、步态线长度、最大移动速度、步态时相占比以及三足区的最大压力。结果与结论：(1)静态站立平衡：前交叉韧带重建组的足底压力中心95%椭圆面积、路径长度、平均移动速度、长短轴长度较健康对照组明显增加(P <0.05),同时站立时前交叉韧带重建组前足负重大于健康对照组(P <0.05);(2)步行平衡特征：前交叉韧带重建组与健康对照组比较,足底压力中心内外侧位移显著变大(P <0.05),前后方向位移和最大移动速度无明显差异;前交叉韧带重建组患侧与健侧、患侧与健康对照组、健侧与健康对照组相比,前者的步态线和单支撑线长度均小于后者(P &...     

航天员舱外活动生物力学仿真及验证

目的目前航天员舱外活动所建的航天员生物力学模型缺乏人体解剖信息,且未见合理的验证方法;本文旨在给出相应解决方法,为航天员舱外活动仿真的进一步应用提供依据。方法选取典型舱外活动实例,建立带有肌肉作用力的航天员上肢反向运动学、动力学模型并进行仿真计算;利用运动学结果驱动OpenGL软件生成动画,实现运动学验证,进而辅以实物模型完成模型的动力学验证。结果运动学验证表明计算结果的正确性,动力学验证及仿真所得两块肌肉力结果的平均相对误差分别为14.54%和0.91%。结论本文建立了合理的航天员上肢模型,并进行了仿真计算;该仿真结果可信,提出的验证方法可行,为航天员舱外活动的生物力学仿真及验证提供支持。     

足踝生物力学动态仿真实验台的多轴运动和力协同控制系统

目的 研究足踝生物力学动态仿真实验台的控制问题,提出一套完整的多轴控制算法使实验台在模拟自由度、时间和精度、负荷重量、调试效率等指标上与国际同行相比具有竞争力。方法 设计人体足踝步态实验台,通过5个伺服电机驱动的机构模拟步态的运动过程（5个自由度）。基于对整个步态过程中力加载的科学分析和合理简化,在Matlab中对此多自由度力加载的过程进行建模。提出运用PID迭代学习算法来控制力,并在Simulink中进行仿真分析。基于仿真的参数,在实际搭建的系统上验证该算法的有效性与可靠性。结果 经过4~5次的迭代学习,实验台可以在5 s时间内完成1个支撑相的模拟,3个方向的足底反力（Fz、Fy、Fx）都具有重复性和可控性,在50%的人体体重下Fz和Fy输出曲线与目标曲线的均方根误差分别收敛到20 N和8 N,小于模拟负载的10%。结论 迭代学习控制方法可使足踝步态模拟实验台具有较强的力学模拟能力,提高了实验台的智能性,为后续进一步提高模拟速度和精度奠定良好的基础,其研制对尸体足踝生物力学实验具有重要意义。     

部分足截肢部位对步态的影响

目的 部分足截肢是临床截肢手术中最常见的截肢类型,跖趾关节部位、跖骨部位和Lisfrane关节部位是PFA最典型的三种截肢平面,分析经这些平面的部分足截肢对步态的影响,将有助于相关辅具的设计和评价。方法 采用Footscan平板式足底压力测试系统和Optotrak三维运动分析系统,以跨步长、步频、步速、足底各区域的峰值压力、冲量、接触时间、接触面积为特征参量,对这三种截肢平面患者进行了步态分析。结果 分析结果表明,三种不同足部截肢平面中,残足越短,跨步长越小,双足承重时间差越明显;MTP的峰值压力主要在跖骨处和足跟处,TMA和Lisfrane的峰值压力集中在足中部和足跟处。结论 推断在设计和评价不同足部截肢平面的相关辅具时,不同截肢平面辅具有相应差异。     

足踝部有限元分析的临床应用综述

有限元分析可以计算结构内部的应力与应变,用于研究足踝部的生物力学有独特的优势,对足踝部疾病的病因、病理及治疗的临床研究具有重要的意义。目前研究主要内容有肌腱与韧带生物力学功能的分析,足部疾病的骨性结构的生物力学分析,内固定稳定性分析,另一方面用于足部支具、足垫的设计与足底压力分析相结合进行足部病因与治疗的研究。     

穿支皮瓣修复小腿及足踝部软组织缺损

目的探讨应用穿支皮瓣修复小腿及足踝部软组织缺损的临床效果。方法在1998年2月至2008年6月间海口市人民医院应用胫后动脉内踝上穿支皮瓣8例和腓动脉外踝上穿支皮瓣7例分别修复小腿及足踝部组织缺损。结果术后12例穿支皮瓣全部成活,2例皮瓣发生边缘或表皮坏死,经换药后治愈,1例皮瓣坏死达1/2,经换药后再次植皮修复治愈,随访2月～4年,皮瓣外观良好,足踝部功能恢复,行走正常。结论内踝上或外踝上穿支皮瓣修复小腿及足踝部皮肤软组织缺损效果良好。     

足底软组织硬化对足部生物力学影响的三维有限元分析

目的 通过有限元方法来研究足底软组织整体硬化以及跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化对人体足踝系统的力学影响。方法 基于健康志愿者右足的核磁共振扫描图片建立足部三维有限元模型,通过改变足底软组织的生物力学属性和人体平衡站立位时的计算仿真来分析足底软组织的生物力学问题。同时,对此志愿者进行足底压力测试来验证模型的有效性。结果 建立足踝有限元模型得到了有效的验证并完成了不同软组织属性定义下站立位的运算;在平衡站立位时足底接触压力分布状况和足踝内部一些软、硬组织的受力情况得到量化。结论 软组织硬化,特别是跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化,对足底受压接触面积、压力峰值以及足底软组织垫所受的应力等产生了明显影响,大大增加了糖尿病患者发生足底溃烂的可能性。     

汽车正面碰撞司乘人员足踝创伤研究进展

道路交通创伤已经成为严重的社会问题。随着技术、法规和安全意识的进步,颅脑和胸部等致命创伤有下降的趋势,但是目前尚无有效的防护措施预防司乘人员足踝创伤的发生。通过综述近年来该领域的研究进展,发现大多数司乘人员足踝创伤发生在正面碰撞事故中,司机发生足踝创伤的概率更大,可能与刹车制动足踝特殊受力有直接关系;对于正面碰撞的分型在学术界尚存争议,但是狭窄障碍物正面碰撞所引起的足踝创伤问题已经得到较为统一认识,而对不同形式撞击时足踝创伤的发生和防护机制尚无相关研究。在这一问题的研究中,离体实验和计算模型分析相结合是一种理想的研究手段     

Foot contact timing and the effect of walking speed in normal childhood and adult gait

Gait foot contact timing patterns are analysed to determine their relationship with walking speed and the effects of age. The effects on these relationships of normalising times by stride time and normalising speeds by stature are also determined. A total of 272 foot contact patterns from 47 normal subjects with an age range of 4 to 39 years are used in this study. The onset and offset foot contact times and walking speed comprise the data set. Two mathematical models are developed, an exponential one for the actual times and a linear one for the normalised times, using a minimum mean square error criterion. A statistical test using the F-ratio criterion is presented and used to compare the characteristic regressions of different age groups. The tests determine if the model regressions are either parallel or coincident. The results indicate that normalising by stride time is the most effective in reducing age differences. A trend is observed which differs from previous investigators' belief that mature gait is developed by age four. Similarities in all ages are revealed by the parallelism of the regressions but a distinct difference exists between the children's and adult's groups.     

小腿逆行筋膜皮瓣在足踝部软组织缺损修复中的应用

目的：报道足踝部软组织缺损修复的方法和体会。方法：应用小腿逆行筋膜皮瓣修复足踝部缺损62例，其中腓肠神经营养血管蒂小腿后侧逆行筋膜皮瓣34例，腓动脉穿支小腿外侧逆行筋膜皮瓣20例（21块皮瓣），胫后动脉穿支小腿内侧筋膜皮瓣8例。结果：58块皮瓣完全成活，4块部分坏死、1块完全坏死者经补充植皮治愈。随访1～6a，外形及功能恢复良好。结论：该组筋膜皮瓣血供良好、操作简单，不损伤小腿主要血管，尤其适合修复足跟及踝部缺损。     

Influence of patellofemoral pain syndrome on plantar pressure in the foot rollover process during gait

BACKGROUND:

Patellofemoral Pain Syndrome is one of the most common knee disorders among physically active young women. Despite its high incidence, the multifactorial etiology of this disorder is not fully understood.

OBJECTIVES:

To investigate the influence of Patellofemoral Pain Syndrome on plantar pressure distribution during the foot rollover process (i.e., the initial heel contact, midstance and propulsion phases) of the gait.

MATERIALS AND METHODS:

Fifty-seven young adults, including 22 subjects with Patellofemoral Pain Syndrome (30 ± 7 years, 165 ± 9 cm, 63 ± 12 kg) and 35 control subjects (29 ± 7 years, 164 ± 8 cm, 60 ± 11 kg), volunteered for the study. The contact area and peak pressure were evaluated using the Pedar-X system (Novel, Germany) synchronized with ankle sagittal kinematics.

RESULTS:

Subjects with Patellofemoral Pain Syndrome showed a larger contact area over the medial (p = 0.004) and central (p = 0.002) rearfoot at the initial contact phase and a lower peak pressure over the medial forefoot (p = 0.033) during propulsion when compared with control subjects.

CONCLUSIONS:

Patellofemoral Pain Syndrome is related to a foot rollover pattern that is medially directed at the rearfoot during initial heel contact and laterally directed at the forefoot during propulsion. These detected alterations in the foot rollover process during gait may be used to develop clinical interventions using insoles, taping and therapeutic exercise to rehabilitate this dysfunction.     

Dynamic simulation of the natural and replaced human ankle joint

Disappointing results for total ankle replacement have been explained by poor knowledge of the mechanics of the intact and replaced joints. Dynamic simulation tools have the capacity to simulate dynamic conditions that occur in human joints. The Working Model 2D tool was used to simulate the mechanics of the intact and replaced ankle joints, based on previously validated mathematical models. Elementary objects were used to model ligaments, articular surfaces, retinacula and muscle-tendon units. The performance of several pairs of prosthetic articular surfaces was also analysed. According to the results of these simulations, rolling as well as sliding motion occurs in the natural ankle, governed by a ligamentous linkage. Elongation of the tibiocalcaneal and calcaneofibular ligaments was found to be 1.5% and 4.8%, respectively. A 13% change in lever arm length occurred for both the tibialis anterior and gastrocnemius muscles during ankle flexion. Unlike the currently available three-component designs, the newly proposed convex-tibial ligament-compatible prosthesis was found to be able to restore the original mobility and physiological function of the ligaments. This prosthesis combines freedom from restraint with congruity of the components throughout the range of flexion.