踝足矫形器人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法

目的 为更好评价踝足矫形器(ankle-foot orthosis, AFO)的人机工效,提出一种 AFO 人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法。 方法 首先,评测两种 AFO 的力学特性并量化其刚度;其次,采集 30 名受试者在正常与穿戴两种不同刚度 AFO 行走条件下的运动学及动力学数据;最后,通过仿真计算,定量对比分析 AFO 刚度对 行走中下肢关节角度、关节力矩与肌肉力的影响。 结果 在穿戴两种刚度 AFO 情况下,支撑相踝关节背屈峰值角度、膝关节屈曲峰值角度和髋关节伸展峰值角度均显著增加(P<0. 05),比目鱼肌与腓肠肌峰值肌肉力呈现增加趋势。 踝关节跖屈峰值角度、髋关节屈曲峰值角度与髋关节屈曲峰值力矩均显著降低(P<0. 05)。 结论 本文所提出的 AFO 人机耦合仿真方法可以有效实现不同刚度对步态生物力学影响的定量评估,该方法同样也适用于评估和优化其他辅助器具的人机工效,可以为 AFO 的选配、适配、优化设计提供方法指导。     

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。     

股骨内翻和胫骨内翻的运动学和足底压力分析

目的 探究胫骨侧和股骨侧来源的两种单侧膝骨关节炎膝内翻在步态分析中的运动学参数和足底压力差异,为不同类型膝内翻提供生物力学理论基础。方法 招募26名单侧膝骨关节炎型膝内翻患者,股骨侧和胫骨侧来源各13名受试者。利用Noraxon MyoMotion三维动作捕捉系统和Footscan平板式足底压力测试系统,测量受试者在自然行走状态下的步态,采集受试者步态的时空指标、下肢各关节运动学参数、足底压力,并进行两组间对比分析。结果 胫骨侧膝内翻的膝关节屈伸范围、髋关节外展峰值、髋关节内收外展活动范围、踝关节内旋峰值均大于股骨侧膝内翻,而膝关节屈曲峰值、髋关节内收峰值小于股骨侧膝内翻;与股骨侧膝内翻相比,胫骨侧膝内翻受试者第4、5跖骨足底受力时间、压力峰值都增加(P<0.05)。在第3跖骨区域中,股骨健侧肢体比胫骨畸形健侧肢体的冲量更大;而在足跟内侧区域,股骨健侧肢体的冲量更小(P<0.05)。结论 两种不同类型单侧膝内翻患者在运动学参数和足底压力方面存在一定差异。研究结果有助于正确认识膝内翻引起的异常步态,为不同类型膝内翻诊治、术后康复和肢体锻炼提供可靠参考。     

一种基于加速度信号的步态稳定性研究

目的通过不同工况下头部和腰部的加速度信号分析人体步态稳定性,与质心(center of mass,COM)-压力中心(center of pressure, COP)法进行对比,探讨应用可穿戴设备进行步态稳定性分析的可靠性。方法应用基于加速度信号的谐波比(harmonic ratio, HR)参数分析18名健康青年人在3种工况下(穿鞋自然行走、裸足自然行走、不同步速裸足行走)的行走稳定性,并与COM-COP法的评估结果比较。结果自然步速下步态最稳定,此时HR最大;裸足比穿鞋行走时HR显著减小(P0.05),步态稳定性降低。该结果与COM-COP法分析结果一致。综合步速和穿鞋影响因素,基于加速度的HR参数与COM-COP法的步态稳定性评估结果呈显著负线性相关(R~20.50),其中腰部HR具有更显著的线性相关性(R~(2 )0.60)。结论应用基于加速度信号的分析算法可以有效且可靠地评估人体步态稳定性,其中腰部加速度对步态稳定性更敏感。     

大学生内八足底压力规律及其危害分析

目的 以中国大学生为目标群体,检测不同足态人群足底压力分布,分析内八人群足底压力分布特点,为其矫形康复提供参考。方法 选取具有典型内八、正常、外八足态各10名受试者参与足底压力检测实验。使用Zebris足底压力分布测量平板,检测受试者在自然站立和1个步态周期内的最大力、压力和接触时间。采集步态参数包括步长、步宽、步速、步向角、步态中心线、力变化曲线,并进行危害分析。结果 自然站立状态下,内八、外八组压力中心摇摆区域面积分别为(939.0252.4)、(1 120.2101.6) mm2,均远大于正常组[(240.7130.6) mm2],内八步态削弱了人体的维稳能力。三类步态人群的动、静态足底压力也呈现出不同的分布特征。静态站立时,内、外八足态人群压力中心向后足转移,后足承受约70%足底压力,高于正常组;动态行走时,内八组三足区压强峰值的绝对值高于其他组。结论 内八人群静态维稳能力差,三足区足底压力分布、足底分区压强相较正常步态均存在一定程度差异,导致内、外八人群在等强度运动状态下稳定性更差,肌肉易疲劳,甚至面临踝关节、膝关节损伤。     

Synergistic characteristics of lower extremity muscles with unilateral knee flexion limitation北大核心

背景:膝关节活动受限是一种比较常见的损伤后表现特征,但是对于膝关节活动受限下的肌肉协同有待研究。目的:研究单侧膝关节屈曲受限与正常运动下肢肌肉协同的异同。方法:招募20名健康成年人(男性12名,女性8名)作为受试者,分别采集屈曲受限条件下与无屈曲受限条件下自然行走的下肢表面肌电信号。通过非负矩阵分解算法从受限侧(右腿)的10块肌肉的表面肌电信号中提取肌肉协同,利用单因素方差分析研究在不同条件行走的步态参数显著差异。结果与结论:①屈曲受限条件下,受试者进行行走任务时肌肉协同数量减少,表现出不同的肌肉协调模式控制并且招募新的肌肉协同单元;随着协同模块的减少,内侧腓肠肌、外侧腓肠肌和比目鱼肌激活时间从支撑相向摆动相偏移的越明显;主要依靠股直肌、股内侧肌、股外侧肌和阔筋膜张肌进行代偿,使其在激活水平上表现的异常活跃,同时受限侧表现出划圈、提胯等动作,因此受限后主要以受限侧髋关节代偿;②屈曲受限条件下,受试者受限侧和非受限侧在步态参数(频率、步速、步态周期和支撑相占比)方面对比受限前均存在显著差异(P<0.05),同时非受限侧单腿支撑时间相较于受限前明显增大(P<0.01),受限侧支撑相占比和单腿支撑时间显著小于非受限侧(P<0.01);③因此,膝关节屈曲运动减弱可被认为是导致下肢肢体内协调受损的关键因素,研究结果对运动功能的定量分析以及人体下肢康复指导具有意义,并为了解运动功能受损背后的神经肌肉控制机制提供重要的见解。     

全膝关节置换术后早期步态与预后功能的相关性分析

目的探讨全膝关节置换(total knee arthroplasty, TKA)术后14 d步态参数与术后3个月膝关节功能和生活质量的相关性。方法采用三维步态系统分析18名患者TKA术后14 d患侧步行特征,运用WOMAC和SF-36评价量表评估患者TKA术后3个月的膝关节功能指数及生活质量并分析其相关性。结果 TKA术后14 d,术侧单支撑时间和摆动期膝关节屈角峰值均显著小于健侧,术侧站立中期膝关节屈角和膝外翻角均显著大于健侧;步行过程中,术侧的时空参数指标与WOMAC评分存在中度负相关,膝屈角峰值、站立中期膝屈角及外翻角与WOMAC评分存在高度相关性;除步长、步速外,其余步态参数指标均与SF-36生活质量评分具有显著相关性。其中,单支撑时间和膝关节屈角峰值具有高度正相关,站立中期膝屈角及外翻角具有中度负相关。结论术后早期(14 d)步态分析结果中术侧单支撑时间、站立中期膝关节屈角、膝外翻角及摆动期膝关节屈角峰值可以作为判断TKA手术预后膝关节功能及生活质量康复疗效的有效指标。     

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。     

石家庄市部分青年男性“外八字”步态足底压力特征分析

背景：外八字的脚外翻破坏了膝关节正常力的分布,使关节一侧所受的生物应力增大,对侧相对减少。 目的：更进一步认识“外八字”步态行走过程中足底压力的特征。 方法：运用比利时Footscan足底压力分布测试系统对石家庄市部分20~25岁的青年男性进行足底压力测试,通过分析筛选出双足步态均正常的青年男性39人为正常步态组,筛选出双足步态均为外八字的青年男性39人为异常步态组分别进行分析。 结果与结论：异常步态组青年左足足底第3跖骨峰力值明显高于正常步态组(P < 0.01),第5跖骨、足弓两区域骨峰力值明显低于正常步态组(P < 0.05)。正常步态组青年左、右足足底第1跖骨、第5跖骨两区域冲量差异有显著性意义(P < 0.05)。异常步态组青年左、右足足底第2,4跖骨冲量差异有显著性意义(P < 0.01,P < 0.05)。异常步态组与正常步态组青年左足足底第3跖骨区域差异有显著性意义(P < 0.05),足跟内侧、足跟外侧两区域冲量差异有非常显著性意义(P < 0.01);右足足底足跟内侧区域冲量比较差异有非常显著性意义(P < 0.01)。提示“外八字”行走会导致蹬伸时的推进力不是斜向向前,行走方向上的蹬地力较小;行走过程中足受力顺序不是沿足纵弓的方向,而是有一定的夹角,因此足弓不能起到减震的作用,冲量的增大也就增加损伤的概率。所以“外八字”步态者应当注意足底压力和作用时间的关系,增加足与地面的接触时间,从而减小冲击力值,避免运动损伤。     

便携步态分析量化评价脊髓型颈椎病患者的步态特征

背景:步态改变是脊髓型颈椎病重要的诊断依据和手术指征;传统的三维步态实验室因操作复杂和耗时费力等原因,无法真正应用于临床前沿。近些年,基于微型传感器的便携式步态分析设备逐渐兴起和发展,部分经过了临床应用验证,使患者在病房里进行步态分析成为现实。目的:以便携式步态分析仪量化评估脊髓型颈椎病的步态特点。方法:选择2013年3至11月连续住院治疗的15例伴有步态异常的脊髓型颈椎病患者纳入患者组,同期30例健康受试者纳入对照组。受试者佩戴便携式步态分析仪在30 m的平地上来回自由行走120 m进行检测,共12个步态参数纳入研究,包括7个常用步态参数:单腿站立时间、双腿站立时间、步态周期时间、速度、步频、步长、跨步长及5个新定义的步态参数:拔腿强度、摆腿强度、地面反冲、足落地控制和摆动前期角度。3例患者接受常规颈椎减压,治疗后1周佩戴颈托下地后再次进行步态测试。结果与结论:与对照组相比,患者组患者的双腿站立时间和步态周期明显延长(P0.05),速度、步频、步长、跨步长、摆腿强度、地面反冲、足落地控制和摆动前期角度明显减小(P0.05),而单腿站立时间和拔腿强度差异无显著性意义(P0.05)。3例手术患者治疗后日本骨科学会评分改善率32.5%,摆腿强度在图形上可见明显改善。脊髓型颈椎病患者日本骨科学会评分与所有12项检测的步态参数均有不同程度的相关性。说明便携式步态分析仪能够有效检测测量伴有步态异常的脊髓型颈椎病患者的病理步态,可协助客观量化评估下肢神经功能的变化。     

基于惯性传感网络的穿戴式步行膝关节力矩估计

目的 通过惯性传感网络(inertial sensor network, ISN)估计多种步态下膝关节内翻力矩(knee adduction moment, KAM)和膝关节屈曲力矩(knee flexion moment, KFM)。方法 12名健康成年男性穿戴8个惯性传感器(位于躯干、骨盆、左右大腿、左右小腿、左右脚)在不同步态下(改变足偏角、躯干摇晃角、步宽和步速)行走。使用ISN,并从中提取生物力学特征作为循环神经网络(recurrent neural network, RNN)模型的输入,用于估计KAM和KFM。结果 整体KAM估计精度：相对均方根误差(relative root mean square error, rRMSE)为8.54%,r=0.84;整体KFM估计精度：rRMSE=6.40%,r=0.94。结论 该RNN模型可作为实验室外膝关节载荷估计的基础,潜在应用领域包括步态训练以及膝关节术后康复效果评估。     

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...     

基于足底压力和步态参数分析的水平行走遇滑失稳的自适应平衡反应研究

目前国内外对于步态失稳现象已开展了大量研究,但尚不清楚平衡调节过程中足底压力与步态参数间的关系。本文利用足底压力与步态分析手段,研究分析人体水平地面行走时遇滑移扰动后激发的自适应平衡反应。本文募集10名健康男性受试者,统一着鞋,于干燥和油介质水平地面进行对比行走试验,并采集分析了时-空步态参数、足底压力参数和垂直地面的反作用力(VGRF)等参数的变化规律。研究结果表明,水平地面行走时遇滑移扰动后自适应平衡反应主要包括:足跟触地更轻、足趾离地时抓地更紧,人体采用更低的步速、更短的跨步长,并增加站立相时间来维持或恢复平衡。本文研究结果将为防止滑跌损伤、康复训练设计及行走辅具的研发等领域开拓新的思路并提供一定参考价值。     

正常青年人三维步态:时空及运动学和运动力学参数分析

背景:三维步态分析作为一种客观步态评估方法越来越广泛应用于临床检测。但尚缺乏统一的标准来衡量正常人的步态特征。目的:检测中国正常青年人自然行走步态数据,为临床上异常步态的分析提供参考依据。方法:应用英国Vicon三维运动捕捉系统,对100名正常青年人进行步态测试,得到时空参数、运动学参数、运动力学参数。结果与结论:正常青年人左右侧(髋、膝、踝关节的活动角度和垂直地板反力)曲线分布规律基本一致;髋、膝、踝关节活动角度(最初着地角度、最大屈曲角度、最大伸展角度、矢状面最大活动范围)和垂直地板反力参数(第1波峰值、谷值、第2波峰值)的左右侧相比,差异无显著性意义(P0.05)。说明建立的中国正常人步态数据,可供临床步态分析参考使用。     

内侧半月板损伤患者关节镜手术前后三维步态特征差异

目的比较膝关节内侧半月板损伤患者关节镜手术前后的三维步态特征。方法纳入15名内侧半月板损伤患者和15名健康人群作为研究对象,采集损伤组术前、术后及健康对照组的三维步态参数,包括步态时空参数、运动学以及动力学参数。结果 (1)损伤组术前步速和步长与对照组相比显著下降(P0.05),损伤组术后步速、步长与对照组相比无显著差异。(2)矢状面,损伤组术前膝关节屈曲伸展活动范围、承重反应期和摆动相膝关节最大弯曲度较对照组显著下降(P0.001);术后承重反应期膝关节弯曲度较术前明显增加(P0.05),但术后摆动相膝关节最大弯曲角度和屈曲伸展活动范围仍显著低于对照组(P0.05)。冠状面,损伤组术前内收外展活动范围和最大内收角度较对照组显著下降(P0.001);术后内收外展活动范围和最大内收角度较术前显著增加(P0.05),但也显著低于对照组(P0.001)。(3)矢状面,损伤组术后膝关节屈曲力矩第1、第2峰值较术前增加(P0.05),但仍显著低于对照组(P0.05)。冠状面,损伤组术后内收力矩第1、第2峰值较术前增加,但也显著低于对照组(P0.05)。结论半月板损伤患者有其独特的步态特征,通常采取僵硬步态来降低膝关节负荷。关节镜下半月板成形术能显著改善膝关节步态特征,但患者步态仍不能在短期内恢复正常。     

半月板摘除对行走状态膝关节韧带-肌肉受力影响的计算机仿真

本研究结合人体下肢行走步态,建立韧带-肌肉-半月板-骨骼的膝关节力学模型,分别对有半月板和无半月板(半月板摘除)进行仿真计算,获得并对比了平地行走周期内有、无半月板时的膝关节运动和受力的动态数据,所建立的动态模型与传统不含半月板的力学模型相比,更符合实际,提高了计算效率和精度,有助于指导各类膝关节半月板损伤手术后恢复运动和康复评价。     

膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系

背景：已有研究表明膝骨关节炎患者的膝关节力矩会发生改变，但对于力矩变化与伸膝肌力及步态时空参数之间的相关性报道较少。目的：探索女性膝骨关节炎患者伸膝肌力及步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩之间的相关性。方法：选取2022年2-8月在北京积水潭医院贵州医院住院治疗的20例单膝患病女性膝骨关节炎患者作为膝骨关节炎组，另外选取20例无肌肉骨骼疾病的女性健康人作为对照组。利用Biodex等速仪测量60 (°)/s向心伸膝肌力，并采用意大利BTS红外运动捕捉系统和测力台采集步态时空参数和峰值膝关节屈曲力矩和膝关节内收力矩。通过Pearson相关性分析探索肌力、步态时空参数和峰值膝关节内收力矩和膝关节屈曲力矩的关联，并进一步将与膝关节力矩显著相关的变量纳入多元逐步回归分析。结果与结论：(1)与对照组相比，膝骨关节炎组60 (°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长以及峰值膝关节屈曲力矩均更低(P <0.05)；(2)Pearson相关性分析结果显示60 (°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长与峰值膝关节屈曲力矩呈正相关，与峰值膝关节内收力矩呈负相关，差异有显著性意义(P <0.05...     

中国正常成人平地行走时足底持重点三维力测定

当受试者穿上作者所研制的三维力电极靴和关节三自由度转角测定仪在平地行走时,可同步测得足底持重点三维接触力和髋、膝、蹠各关节的运动角度。测得的数据经接口电路直接送入计算机进行处理。在靴底三组传感器与受试者足底三个生理负重点相符时,就能测得足底三生理负重点曲线的峰值。这对于矫形外科研究步态分期有实际指导意义,同时亦可为下肢畸形患者的治疗提供参考指标。     

臀肌挛缩症患者三维步态特征分析

目的：探讨臀肌挛缩症患者步态的功能量化指标为该疾病的诊断提供参考与依据。方法：2011年8月-2011年11月,选取臀肌挛缩症患者16例作为研究组,同期选取健康自愿者16例作为对照组,应用三维步态系统对两组进行三维步态对比分析。结果：①步态周期时间参数：研究组在常速、快速行走时步态周期较对照组明显延长（P〈0．01）,步幅、步速较对照组均明显减小（P〈0．01）。②下肢关节角度特征：与对照组比较,研究组在常速、快速行走时髋关节摆动期最大屈曲角度及研究组快速行走时髋关节屈伸角度变化范围均减小（P〈0．05）;研究组常速、快速行走时膝关节冠状面角度变化范围均增大（P〈0．05）,而膝关节支撑相最大屈曲角度和膝关节屈伸角度范围均减小（P〈0．01）;研究组常速行走时重心左、右位移增大（P〈0．05）,快速行走时重心上、下位移减小（P〈0．05）。结论：应用三维步态分析系统对臀肌挛缩症患者进行功能量化评价,可以更为准确地观察臀肌挛缩症患者步态的生物力学变化,为患者的诊断提供了参考和依据。     

慢性踝关节不稳对膝关节肌群的影响

目的 探究慢性踝关节不稳(chronic ankle instability, CAI)患者踝关节肌力缺失对患侧和健侧膝关节肌群的影响。 方法 建立健康受试者和 CAI 患者逆向动力学模型,通过改变肌肉最大等长收缩力模拟不同程度踝关节肌力缺失,分析步态周期中膝关节峰值肌力和累积肌力的改变规律。 结果 CAI 患者跖屈肌肌力缺失会同时影响患侧和健侧的股四头肌与腘绳肌,背屈肌肌力缺失主要影响患者患侧和健侧的腘绳肌。 CAI 患者患侧和健侧膝关节肌群肌肉累积负荷增大,不同踝关节肌力缺失模型都呈现出患侧股四头肌累积负荷大于健侧,健侧腘绳肌累积负荷大于患侧的规律。 结论 CAI 不仅会影响患者患侧膝关节肌群的肌力,也会影响患者健侧膝关节肌群的肌力。增强踝关节的肌肉力量和保护双侧膝关节肌肉可能对 CAI 康复具有积极的作用。