步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析

背景:踝关节属于人体最重要的承重关节之一,在行走过程中发挥着重要作用,目前缺少有关踝关节在步态周期中应力的相关研究。目的:基于有限元法分析步态周期中踝关节的应力大小及区域变化。方法:首先通过Mimics 16.0软件及Rapidform XOR364软件构建踝关节有限元模型;利用此踝关节模型与Anderson构建的胫距下关节面有限元模型的应力及接触面积进行对比,验证模型的有效性;最后通过ABAQUS有限元分析软件,模拟踝关节在步态周期中平衡站立工况及支撑末期工况的应力状态,通过对比相同区域不同工况的应力变化,分析踝关节在步态周期中的作用,探讨踝关节失稳状态下踝关节的应力变化。结果与结论:(1)构建的踝关节有限元模型共包括44 551个单元、16 718个节点,并验证了其有效性与合理性;(2)平衡站立工况下:主要应力集中在距腓前韧带(A、B)、胫距前韧带(C、D)、胫距后韧带近端(F)、胫距关节下表面(H);踝关节最大应力在胫距后韧带近端附着点(F),为10.670 MPa;最小应力在内踝胫骨关节面(J),为2.965 MPa;(3)支撑末期工况下:主要应力集中在距腓前韧带(A、B)、胫...     

步态周期下内侧半月板后根部分撕裂对膝关节生物力学的影响

背景：目前针对内侧半月板后根撕裂加速膝关节退变相关生物力学研究大多数仅限于在静态仿真设计的基础上对内侧半月板后根完全撕裂模型进行测试,而对内侧半月板后根部分撕裂在完整步态周期下的生物力学行为尚不清楚。目的：运用动态有限元分析的方法来比较正常膝关节模型与内侧半月板后根部分撕裂模型在完整步态周期下生物力学的差异。方法：以健康成年人右膝关节CT扫描数据为基础,建立包括骨、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内侧半月板后根撕裂模型。分别在2种模型上施加ISO标准步态载荷进行仿真测试。比较2种模型对应部件在各时相下应力、位移和接触面积的差异。结果与结论：(1)在完整步态周期下,健康模型内侧半月板后根云图应力分布均匀,而病理模型则在损伤区出现应力集中表现,健康模型最大应力出现在30%时刻外侧半月板内缘,值为29.68 MPa,病理模型最大应力出现在50%时刻外侧半月板内缘,值为30.34 MPa;(2)在完整步态周期下,健康和病理模型胫骨软骨应力分布大体一致,2种模型承受最大应力分别出现在步态周围50%,20%时刻,值大小分别为5.11,6.85MPa;(...     

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     

正常步态周期中髋臼周围区域的应力分布及其在THA髋臼重建中的指导

目的 研究健康成人步态周期中髋臼周围内外应力分布基本规律,探求这些规律对全髋关节置换（total hip arthroplasty, THA）髋臼侧重建的临床指导作用。方法 采用CT 扫描获取1名男性和1名女性健康中年志愿者骨盆与股骨近端数据并构建三维模型。通过基于CT值计算材料弹性模量的非均匀材料赋值方案及其收敛性分析为各个有限元网格单元独立赋值。根据正常步态行走中髋关节接触力在步态周期中的动态变化施加载荷条件。以模型内外节点的Von Mises应力为标准进行结果判断。结果 在正常步行中,从男、女志愿者髋骨外表面看,应力主要从髋臼后上方沿髂翼后外侧经坐骨大切迹传递至耳状面,应力最大值出现在坐骨大切迹附近;从男、女志愿者髋臼上、中、下3个剖面看,应力在髋臼后上方的骨皮质与骨松质均有分布,而在髋臼的前柱与后柱,应力则主要分布于骨皮质上。结论 根据健康成人髋臼周围正常步态应力传递与分布规律,选择更合适大小的髋臼假体以及更精确地控制髋臼假体的安放位置有助于获得更符合正常步态应力分布的髋臼重建方案。     

有无跌倒史老年人步态生物力学特征对比分析

目的 通过对有、无跌倒史老年人进行步态运动学和动力学同步测量,对比步态生物力学特征,为老年人跌倒预防提供理论及实践依据。 方法 在居民社区及老年公寓招募 284 名 60 岁以上老年人作为测试对象,严格按照纳入和排除标准,按照既往 12 个月跌倒史分为跌倒组(有跌倒史)和非跌倒组(无跌倒史)。 采用三维录像解析和动态足底压力测量获取受试者自然行走步态的运动学和动力学参数。 测试数据采用独立样本 t 检验进行组间各因素差异性对照分析。 结果 跌倒组老年人自然行走步态过程中左足第 1 跖骨峰值力、双足足跟外侧冲量、右足大拇趾冲量等动力学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05);跌倒组老年人自然行走步态过程中右足第 2 跖骨受力面积、左足缓冲期接触时间、右足前脚掌触地时间、右足横向压力中心(center of pressure, COP)轨迹、左足触地髋角、双足峰值压力点重心位移等运动学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05)。 结论 与无跌倒史老年人相比,有跌倒史老年人行走过程中第 2 跖骨受力面积减小,足底触地时间延长,过渡期支撑稳定性下降,COP 横向位移增大,行进方向 COM 位移减小,意味着老年人下肢肌力下降,足侧向摆动增大,步行推进力减小,可导致姿势控制策略发生代偿性改变,潜在跌倒风险增大。 在临床评估中,应重点关注有跌倒史老年人群步态足底压力及运动学特征。     

步态生物力学大数据分析研究进展

目的 研究目前步态生物力学大数据分析的前沿进展.方法 以2011～2020年步态生物力学大数据分析相关的科技文献为研究对象,运用内容分析法,从主题结构、层级水平、模型类型和分析技术4个方面进行分析与讨论,并在此基础上对步态生物力学大数据分析的未来研究进行展望.结果 大数据分析在步态生物力学的应用领域主要有5个层面,分别...     

负重对行军士兵下肢步态特征的影响

目的评定负重行军对下肢步态产生的影响。方法采用随机交互设计,15名健康男性受试者进行4次步行,作训着装0、7.5、27、50kg,分别采用Vicon运动捕捉系统和AMTI测力台检测髋部、膝部和踝部运动学参数的变化。结果随着负重增加,周期性步频相对增加,步幅减小,基本上维持在恒定速度;左右髋关节屈角峰值、外旋角度峰值以及左右膝关节内收峰值受到影响较为明显,但关节运动幅度能够维持。左踝关节内翻角度峰值以及右踝关节外翻角度峰值同样受到影响;下肢左右膝、踝关节的力和力矩增加。结论在既定负荷范围内,负重增加,整体上下肢关节变化较为稳定,但下肢负荷增加,可潜在增加下肢损伤的风险。     

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。     

坐骨神经痛患者的步态特征

目的分析总结坐骨神经痛患者的步态特征,辅助临床的诊断评估。方法连续住院治疗的43例伴有坐骨神经痛的腰椎间盘突出症患者,佩戴便携式步态分析仪后自由下平地行走120 m,同时纳入性别、年龄、身体质量指数(body mass index,BMI)匹配的43例健康受试者作为对照组。采集受试者的步态数据,包括7个时空参数(单支撑时间、双支撑时间、单双腿支撑时间比、步态周期时间、步速、步频、步长)以及4个加速度参数(拔腿强度、摆腿强度、地面冲击、足落地控制),对比患者与正常人、患者患侧与健侧下肢之间的步态差异。结果患者单支撑时间、单双腿支撑时间比、步速、步频、步长及4个加速度参数明显小于正常人,而双支撑时间延长。相比于患者健侧下肢,患侧下肢支撑时间、步频及4个加速度参数显著性减小,步长增加。结论坐骨神经痛患者患侧下肢运动功能出现障碍,影响步行能力。便携式步态分析仪可反映坐骨神经痛患者下肢的异常步态特征,为临床诊断评估提供参考。     

步态周期中髋关节软骨应力分布对弧形髋臼周围截骨手术的影响

目的 研究在完整步态周期受力环境下髋关节周围软骨的应力分布情况,探求弧形髋臼周围截骨术（curved periacetabular osteotomy, CPO）术中所截骨块的最佳矫正角度,为临床手术提供理论依据。方法 利用CT扫描获取1名髋关节发育不良（development dysplasia of hip, DDH）患者和1名健康志愿者骨盆及股骨近端DICOM数据,构建三维有限元模型。采用划分蒙罩的方法区分皮质骨和松质骨,并为有限元模型赋予材料属性。对DDH模型模拟CPO,调整外侧中心边缘角（lateral center edge angle, LCEA）和前方中心边缘角（anterior center edge angle, ACEA）,共得到100个不同的术后模型。根据完整步态周期中的髋关节受力情况为模型分别施加载荷,分析对比术前、术后和正常髋臼软骨的受力变化。结果 DDH模型模拟术后髋臼软骨在完整步态周期中脚跟落地相、开始单腿支撑相、单腿支撑中期相、单腿支撑结束相、双腿支撑相的最小接触应力峰值分别为5.273、6.128、7.463、6.347、6.582 MPa,分别比术前减少了2.159、2.724、2.249、2.164、2.119 MPa;术后头臼接触面积较术前明显增加,但仍小于正常志愿者。结论 利用有限元方法可以得到LCEA和ACEA的最佳矫正角度,对不同患者模拟CPO手术对提高手术精准度和手术效率具有重要意义。     

步态水平对髋关节假体周围骨重建的影响

目的 针对髋关节置换术后患者步态运动水平变化,研究假体周围骨密度（bone mineral density, BMD）变化率的变化趋势,揭示置换初期、长期运动变化对骨重建的影响规律。方法 基于自适应骨重建理论,建立股骨-假体有限元模型,以术后初期、长期步态水平作为重建参数计算假体周围BMD分布,采用Gruen分区方法量化BMD的变化。结果 术后初期,恒定步态组与变化步态组BMD存在明显差异,最大差异发生在低步态组中,造成大转子区域BMD减小41%;步态运动提高促进假体近端、中端BMD变化,显著影响发生在大转子区域,造成BMD增加47%;术后长期阶段,步态运动提高促进假体中端、末端区域BMD恢复,BMD增加2%～9%。结论 研究结果为髋关节置换后患者康复过程提供指导。     

3D Finite Element Analysis of a Man Hip Joint Femur under Impact Loads

Objective： The biomechanical characters of the bone fracture of the man femoral hip joint under impact loads are explored. Methods ：A biosystem model of the man femoral hip joint by using the GE （ General Electric） lightspeed multi-lay spiral CT is conducted. A 3D finite element model is established by employing the finite element software ANSYS. The FE analysis mainly concentrates on the effects of the impact directions arising from intense movements and the parenchyma on the femoral hip joint on the stress distributions of the proximal femur. Results：The parenchyma on the hip joint has relatively large relaxation effect on the impact loads. Conclusion：Effects of the angle δ of the impact load to the anterior direction and the angle γ of the impact load to the femur shaft on the bone fracture are given;δ has larger effect on the stress and strain distributions than the angle γ,which mainly represents the fracture of the upper femur including the femoral neck fracture when the posterolateral femur is impacted, consistent with the clinical resuits.     

一种新型髋关节假体柄的生物力学设计

目的 基于一种新型髋关节假体柄设计,分析其在站立、行走、跑步和坐姿工况下的应力分布差异。 方法 基于人体 CT 数据,建立 7 组不同柄植入后的髋关节模型,利用有限元分析方法计算不同工况下假体柄和股骨应力情况。 结果 与植入传统假体柄相比,站立时新型假体柄植入后假体柄应力峰值降低 23%、股骨应力降低 72%。 7 种假体柄结果显示,假体柄高度为 86. 5 mm 的新型设计最符合患者需求。 多工况结果显示,患者处于坐姿,柄承受应力最小,使用寿命更长。 结论 新型假体柄有助于延长假体使用寿命,减小骨损伤风险。 髋关节假体模型为后期柄的设计及患者术后康复提供科学理论支撑。     

痉挛型脑瘫儿童步态运动学特征

目的基于步态分析方法研究痉挛型脑瘫儿童行走的运动学特征。方法应用便携式步态分析仪对16例痉挛型脑瘫儿童和16例健康儿童平地常速来回行走的步态进行测试,比较痉挛型脑瘫儿童患侧与健侧、痉挛型脑瘫儿童与健康儿童的步态差异。结果与健侧相比,痉挛型脑瘫儿童患侧单步时间、摆动时间和跖骨离地期显著长于健侧(P 0. 05),患侧步频、步速、支撑相末期显著低于健侧(P 0. 05)。痉挛型脑瘫儿童患侧步态周期时间、单步时间、站立时间、摆动时间、站立相所占百分比、支撑相中期、摆动前期和跖骨离地期相比于正常儿童均显著增加(P 0. 05)。痉挛型脑瘫儿童跨步长、步速、步频、支撑相末期相比于正常儿童均显著降低(P 0. 05),拔腿强度也降低(P=0. 05)。结论痉挛型脑瘫儿童行走时稳定性降低,其患侧单步时间、摆动时间、跖骨离地期和拔腿强度或许可以作为敏感指标应用于临床评估,指导脑瘫儿童的康复治疗。     

老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动功能特点

目的 探讨老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动的力学性能。 方法 通过17名青年人、15名老年人自然速度上下5个台阶的楼梯测试与分析,并结合红外高速运动捕捉系统和三维测力台获取步态参数、下肢关节角度以及地面反作用力,通过逆向动力学方法计算关节力矩和功率,采取独立样本 t 检验分析年龄对上述参数的影响。 结果 与青年人相比,老年人上下楼梯步态周期较长,步速和步频则明显较低(P<0. 05);同时,老年人上下楼梯支撑相和摆动相分别明显延长和缩短(P<0. 05)。 不论是青年人还是老年人,上下楼梯过程中下肢关节角度、力矩和功率的变化趋势较为一致。 但老年人上楼主要是通过踝、膝关节功率的产生来维持,而青年人则是通过近端肢体的能量,特别动用了较多的膝关节功率。 下楼过程中的能量吸收,两者皆是以膝关节为主。 结论 随着年龄的增长,下肢机能下降和肌力不足,老年人害怕在上下楼梯时发生跌倒,试图通过减少摆动时间来弥补身体的不稳定。 研究结果为临床上老年患者群体的康复管理以及预测跌倒的功能性评估提供参考。     

全膝关节置换前后患者下肢肌骨模型步态模拟与分析

目的比较分析全膝关节置换患者术前、术后步态周期站立相下肢肌肉激活规律和膝关节受力。方法基于Open Sim平台建立1名健康受试者和3名单侧全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)患者术前、术后下肢肌骨模型。使用三维动作捕捉系统和测力台采集受试者步行期间下肢运动学数据和地面反作用力作为输入参数,模拟计算下肢肌肉激活和膝关节受力。结果肌骨模型计算结果与基于三维动作捕捉系统的逆动力学计算结果基本一致。不同于健康受试者,患者股直肌在承重反应期、支撑相中期激活,3名患者术后股四头肌的激活时间与激活程度较术前明显不同。患者TKA术前关节受力峰值为3. 15、2. 95、3. 43倍身体质量(body weight,BW),支撑相中期维持2倍BW以上载荷。TKA术后关节受力峰值分别2. 09、2. 48和3. 73倍BW。结论所建肌骨模型计算结果具有一定的可靠性,该模型今后可为TKA治疗提供生物力学的辅助手段。     

基于步态特征的老年人跌倒风险预警模型

目的根据6种步态的测试参数分别构建老人跌倒风险预警模型。方法使用数字化场地采集有跌倒史和无跌倒史老年人的6种步态参数,采用二项logistic回归分析法,建立预测老人跌倒风险的回归方程,构建跌倒预警模型。结果根据6种步态的测试参数所构建的回归方程均具有统计学意义,预测总体正确率由高到底依次为:闭眼正走(97.1%)、睁眼倒走(92.9%)、闭眼倒走(88.6%)、睁眼正走(87.1%)、睁眼上下转头(85.7%)、睁眼左右转头(82.9%)。所构建的老年人跌倒风险预警模型主要包括判定、测试、提取、计算、预警5个步骤,适合在实验室内对老年人进行步态测试与跌倒风险评估。结论 6种步态的测试参数都能够预测老年人的跌倒风险,其中闭眼正走的预测效果最好,是预测老年人跌倒风险的最佳步态。所构建的老年人跌倒风险预警模型用于预测65～75岁老年人1年内的跌倒风险,并可根据跌倒概率发出预警,对预防老年人跌倒具有积极作用。