步态模式对人体髋膝踝关节运动协调关系的影响

摘要 目的：分析不同步态模式下髋膝踝关节的运动协调关系,为下肢智能假肢和助行外骨骼控制系统的运动规划提供依据。 方法：利用红外光点运动捕捉系统,采集10名20—35岁健康青年志愿者进行平地行走、上楼梯和下楼梯三种步态的运动轨迹,采用运动循环图对髋膝踝关节运动角度参数进行统计分析。 结果：不同步态模式的髋膝踝关节运动循环图存在显著的差异。 结论：步态模式对髋膝踝关节的运动协调关系有显著影响,下肢假肢和外骨骼可以借鉴相应的运动协调模式降低机械结构和控制系统的复杂性。     

穿戴塑料踝足矫形器对下肢肌肉疲劳性的影响

背景：目前尚未见到系统研究踝足矫形器对下肢肌肉影响的文献。目的：提取正常人穿戴固定踝足矫形器时的下肢肌电信号,分析固定踝足矫形器对下肢肌肉疲劳性的影响。方法：选择5名健康男性受试者参加试验,每名受试者分别进行3组试验：①第1组,在不穿戴任何矫形器的情况下以自然步态行走。②第2组,受试者穿戴平跟踝足矫形器以自然步态行走（此时矫形器踝部包裹超过踝中心1 cm,记1.0 cm）,穿戴同一矫形器但在踝部去掉1.0 cm、踝部塑料边缘刚好通过踝中心时采集（记0 cm）,在踝部再去掉1.0 cm后以自然步态行走（记-1.0 cm）。③第3组,受试者穿戴1.5 cm正常跟高踝足矫形器以自然步态行走,穿戴同一矫形器,但跟高分别改为1.0,2.0 cm后以自然步态行走。行走中采用肌电采集仪检测受试者下肢股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌的表面肌电信号。结果与结论：①正常不穿戴任何矫形器时,4块肌肉的肌电信号是最弱的。②对于任何一块肌肉,正常不穿戴矫形器时所对应肌电值比穿戴不同硬度矫形器时所对应的肌电值要小。③对于股二头肌,正常不穿戴矫形器时所对应的积分肌电值与穿戴正常跟高矫形器时所对应的值很接近,同时这两个值要比穿戴不正常跟高矫形器时所对应的积分肌电值小。表明固定塑料踝足矫形器会引起股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌的疲劳,当固定塑料踝足矫形器的跟高不合适时会进一步增加股二头肌的疲劳程度。     

下肢外骨骼康复机器人运动感知系统的研究进展

目前,世界上存在着大量下肢运动功能障碍的特殊人群,无法进行正常行走或运动。下肢外骨骼康复机器人技术的发展可以帮助他们完成正常站立、行走等基本行动功能,并改善其身体机能状况和生活质量。下肢康复外骨骼机器人系统是以人为中心的人机协同智能系统,其首要任务是理解人的运动意图,并对运动姿态做出准确的判断,与人体协同运动产生助行、...     

一种轮椅式下肢助行机器人的设计及运动学仿真分析

目的:设计一种轮椅式下肢助行机器人,以协助下肢患者进行日常的助行康复训练。方法:利用升降机构和腿部助力机构来完成对下肢患者的助行康复训练,并通过MATLAB软件对腿部助力机构进行了运动学仿真分析。结果:仿真结果表明,在腿部助力机构的带动下,患者腿部的运动规律符合正常人行走时的步态特征曲线。结论:证明了机构设计的合理性,可以用于下肢患者的助行训练。     

下肢外骨骼机器人临床康复应用进展

正1下肢外骨骼康复机器人简介外骨骼的定义来源于甲壳类动物,其骨骼生长在肌肉、组织外部,用于保护和支撑动物,属于"外骨骼"动物;与之对应,人类的骨骼生长于肌肉、组织之内,属于"内骨骼"生物。外骨骼机器人是一种基于仿生学和人体工程学研究设计的机器人,这种机器人的机械构型与人类的下肢骨骼类似并几乎平行,通过绑带套在患者身体外面,构成一种"穿戴在人体外面"的机器人,成为人类穿戴者除自身之外,由外部动力源驱动的另一副"骨骼"~([1])。     

下肢假肢步态试验机的设计

实验于2008-03在上海理工大学生物力学与康复工程研究所完成。基于仿生学原理,将人体下肢简化为刚体结构,关节简化为单轴结构,设计出一套下肢假肢步态试验装置。整个步态试验机装置系统由模拟腿、动力和传动装置及测控系统组成,主要部件有躯干、大腿、小腿、脚板和髋关节、膝关节、跑步机以及驱动部分。采集健康青年人常速行走的运动步态参数,以其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腿的运动,达到正常人行走步态的模拟。结果显示,对模拟后的输出信号进行采集并与输入信号相比,最大相对误差为5.6%,在工程误差允许范围之内。提示下肢假肢步态试验机能基本模拟人的正常步态。     

杜氏进行性肌营养不良患儿常速行走的步态特征

背景：对杜氏进行性肌营养不良患儿异常步态的生物力学研究目前尚不多见,且缺乏步态的足底压力特征结果报道.目的：分析杜氏进行性肌营养不良患儿常速行走的步态运动学及足底压力分布特征.方法：利用VICON红外光点捕获系统,采集10名杜氏进行性肌营养不良患儿及10名正常儿童裸足常速行走的三维运动学数据,并利用Medilogic足底压力测试系统记录支撑足的足底压力分布数据.结果与结论：杜氏型肌营养不良组行走时的步长明显小于正常对照组,而步宽和重心摇晃幅度则大于正常对照组;杜氏型肌营养不良组步态的双支撑期所占的周期比例大于正常对照组,摆动末期所占的周期比例则小于正常对照组;杜氏型肌营养不良组髋关节最大伸角小于正常对照组,髋关节最大屈角大于正常对照组,摆动相最大膝屈角小于正常对照组,着地时踝关节跖屈角大于正常对照组;杜氏型肌营养不良组在行走过程中最大足底压力小于正常对照组,最大压力的分布向足前区外侧偏移.结果表明,步态周期时间百分比可作为杜氏型肌营养不良患儿行走能力的评价指标,杜氏型肌营养不良患儿在常速行走过程中所表现出的各种非正常的步态特征可能归因于下肢各关节伸肌群力量不足,部分患儿踝关节呈明显的马蹄足内翻也是造成步态异常的重要原因之一.     

正常青年人自然步态下肢肌的表面肌电图分析

背景:肌肉的生物电活动是人体的能动部分,可反映人体运动的功能。目的:观察和分析正常青年人在自然步态中下肢肌肉的表面肌电活动。方法:采用美国NORAXON公司生产的TELEMYO2400RG2表面肌电图仪对30例正常青年人在平地自然行走时,其双下肢股直肌、胫前肌、股二头肌和腓肠肌内侧进行测试,分析在正常步态中受试肌群表面肌电信号的变化规律。结果与结论:正常青年人平地自然步行中,其双下肢股直肌、胫前肌、股二头肌和腓肠肌内侧的肌电随步态周期呈活动与静止周期性变化,左右侧同名肌肉交替活动;平均肌电振幅、平均肌电积分、平均频率、中位频率值最大的是腓肠肌内侧,其余由大到小依次是胫前肌,股二头肌,股直肌,右左腿分布规律一致;右侧腓肠肌内侧平均肌电振幅、平均频率、中位频率值均明显低于左侧(P<0.05);受试肌的时域、频域值波动在一定范围。提示正常青年人自然步态中下肢肌群肌电活动呈节律性和右左侧交替活动;在受试肌中腓肠肌内侧的肌电活动最强;腓肠肌内侧的肌电活动存在着优势侧与非优势侧的轻度差别;下肢肌肌电活动的时域、频域值在一定范围波动。     

健康人群及关节疾病患者步态分析中时间-距离、力学及运动学和动态肌电参数的变化

背景: 步态分析可将矫形外科检查和康复治疗中沿用已久的定性分析和直观描述转换为客观、精确的定量评定。目的: 观测健康人群和患有脊柱及髋、膝、踝关节疾病患者步态分析中的时间- 距离参数、运动学参数、力学参数和动态肌电参数。设计: 对比观察, 对照实验。对象: 选择 2004- 12/2005- 07 上海交通大学附属第六人民医院康复医学科手术和康复治疗的 112 例患有脊柱及髋、膝、踝关节疾病手术或非手术治疗的患者。男性 42 例, 年龄(46±2) 岁; 女性 70 例, 年龄(41±4)岁。其中颈椎病患者 21 例, 腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄症 26 例, 髋关节( 包括全髋关节置换术) 、膝关节( 包括前十字韧带重建术、全膝关节置换术) 、踝关节( 包括马蹄内翻足) 疾病分别 12, 34, 19 例。同期选择 40名健康志愿者( 均为上海交通大学附属第六人民医院员工) 为对照组, 年龄 20￣40 岁。纳入对象均对观测指标知情同意。方法: 应用三维步态分析系统( 英国 VICON 公司制, V- 612) 对 40 名健康志愿者和 112 例患有脊柱及髋、膝、踝关节疾病患者进行步态分析。主要观察指标: 受试者行走中的时间- 距离参数( 步长、步速、步频) 、下肢各关节运动学参数( 髋、膝、踝关节冠状轴角度) 、下肢各关节生物力学参数( 髋、膝、踝关节应力垂直轴分力) 及动态肌电参数( 股外侧肌表面肌电信号) 的变化。结果: 健康者 40 名和脊柱及下肢各关节疾病患者 112 例均进入结果分析。①时间- 距离参数: 脊柱疾病、髋关节疾病、膝关节疾病、踝关节疾病患者步频、步长、步速均明显低于 / 慢于对照组(P < 0.05￣0.01) 。②下肢各关节运动学参数及生物力学参数: 左侧前十字韧带重建术后 1 年患者支撑相初期左膝伸膝较右膝下降 9°, 支撑相初期左膝关节应力较右膝关节明显下降; 左侧全髋关节成形术术后 1 年患者支撑相初期左髋屈髋较右髋下降 8.5°, 支撑相末期伸髋下降 3°,支撑相左髋关节应力较右髋关节应力明显下降; 左足马蹄内翻患者支撑相初期左踝背屈较右踝下降12°, 支撑相末期跖屈下降 5°, 支撑相左踝关节应力较右踝关节明显下降。健康人群双侧膝关节活动度及膝关节应力垂直轴分力差异不明显。③动态肌电参数: 左侧全膝置换术后 1 年左侧股外侧肌表面肌电信号较右侧明显减弱。结论: 三维步态分析对矫形外科疾病手术方案制定及术后疗效评价、康复疗效评价及康复治疗方案制定提供切实可行的依据。     

基于高斯过程的人体步态关节力矩估计北大核心CSCD

目的 提出一种基于高斯过程的下肢关节力矩估计方法,实现人体自然步态下下肢关节力矩精确估计。方法 根据自然步态关节力矩曲线特点,选取平方指数核函数探索关节角度和关节力矩之间的相互关系,建立基于高斯过程的数据融合模型,该模型输入为下肢关节角度,输出为关节力矩。结果 1例健康受试者以0.8 m/s的行走速度在步态跑台行走,采用提出的高斯过程模型进行3次关节力矩预测试验,试验结果显示大部分预测的期望值都落在置信区间内,89%的预测值与实际值的r~2> 0.8。结论 该方法可以较为精确地估计出关节力矩。该研究潜在应用在于优化外骨骼机器人、控制主动式假肢以及调节类人机器人的关节力矩等。     

基于视频图像边缘检测的人体下肢运动步态*☆

背景:步态规律主要应用人体行走的运动学、动力学等参数进行描述.目前在运动医学、康复工程和仿生学等领域,步态分析可为确定疾病诊断、康复和治疗方案提供重要依据. 目的:应用基于人体运动图像的测量装置系统,采集人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频,分析人体步态运动规律. 方法:采用基于双摄影机的人体运动图像捕捉系统,在人体的左右髋关节、膝关节、踝关节及脚板设置标识点,对人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频进行采集.应用图像边缘检测的原理,对测量数据进行了图像处理和分析,得到人体正常步速行走时,左右大腿与竖直方向夹角、小腿与竖直方向夹角、脚板与竖直方向夹角及膝关节、踝关节标识点的关节角度变化规律. 结果与结论:基于视频图像边缘检测人体下肢的运动步态,成本相对低廉,数据误差较小,精度与进口设备较接近.应用该测量结果初步构建了人体步态行走数据库,为建立步态评定标准、异常步态判别以及进一步的康复治疗提供了依据.     

踝足矫形器对足下垂患者下肢功能影响的分析

目的观察和分析足下垂患者穿戴踝足支具(AFO)前后对下肢稳定性、负重能力、步行中膝、踝关节活动的影响.方法20例足下垂患者(男14例,女6例),其中右侧足下垂者9例,左侧足下垂者13例.患者中有6例需在辅助下行走,14例已具备独立行走的条件.对所有患者分别在穿戴和不穿戴踝支具状态下进行步行能力、下肢活动能力、身体平衡功能测定.其中5例患者在穿戴支具1个月左右进行步态分析.结果穿戴AFO后即刻患者的步行速度和步幅影响与穿戴支具前比较无显著差异(P＞0.05);踏车时间和上楼的速度比不戴支具有明显提高(P＜0.05),而起蹲、下楼时间、足抬高距离无显著差异(P＞0.05);穿戴AFO对患肢负重无明显改善(P＞0.05),但可使患者身体左右的稳定性及患腿前后的稳定性有明显改善(P＜0.05);步态分析结果发现,5例患者穿戴支具前后患侧下肢垂直峰力矩、步速无明显影响(P＞0.05);穿戴AFO后患侧膝关节在步行周期中最大伸膝度数较不穿支具明显减少(P＜0.05);患侧踝关节在步态周期中最大趾屈度数较不穿支具明显减少(P＜0.01).结论AFO对下肢功能的影响主要表现在改善足下垂和膝过伸程度;增强身体稳定性及患侧下肢稳定性;穿戴AFO对患者下肢日常功能活动无明显影响;对患者即刻和1个月以后的步速、步幅、患腿负重能力的改善不明显.     

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。     

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.     

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。     

一种轮椅平台的上肢外骨骼康复机器人的研究

目的:针对现有上肢康复机器人由于体积庞大、移动不便导致上肢功能障碍患者难以在最佳时期介入康复治疗的问题,本研究设计一种以轮椅为平台的轻便式上肢外骨骼康复机器人。方法:根据人体运动学和动力学特性确定合适的机械结构参数并完成整体机械设计;以嵌入式为平台开发上肢康复机器人控制系统,利用自适应PID控制算法解决上肢康复机器人机交互问题;通过上位机软件绘制运动轨迹和关节角度、速度和力矩的变化曲线,验证设计指标达标情况。结果:该上肢外骨骼康复机器人肩关节屈伸、收展以及肘关节伸屈运动范围在人体对应关节运动范围的60.67%—81.10%,肩关节屈伸电机输出力矩0—18Nm,肘关节屈伸电机输出扭矩在0—14Nm。结论:该上肢外骨骼康复机器人设计合理,人体穿戴方便舒适、各关节运动范围、输出力矩符合人体运动特性,且操作简单,移动方便,可帮助上肢功能障碍患者进行被动、主动和助力康复训练。     

一种生物融合式踝关节康复机器人的设计

目的:设计一种康复机器人用于损伤踝关节的运动康复治疗.方法:基于对踝关节生理结构的分析,结合机构学理论知识将其等效为球面副,应用生物融合式康复机构设计理念得到包含弹性转动副的人机闭环机构;应用球面几何、影响系数法对该机构进行康复运动分析,并综合考虑安全、卫生、患者康复体位等因素完成踝关节康复机器人样机设计.结果:本研究所设计的康复机器人在运动过程当中,可以通过对机械驱动量的改变实现踝关节一定姿态下输出作用力的调整.同时,还可以在机械驱动量不变的条件下通过对踝关节主动作用力的改变实现其位姿的调整;实验验证该康复机器人样机在电机驱动下可实现踝关节典型康复运动,能够满足踝关节康复治疗对机器人运动形式的要求.结论:基于生物融合式康复机构所研制机器人在完成踝关节基本康复运动的同时,可以充分发挥患者能动性从而实现更好的康复治疗效果.     

早期康复对脑卒中患者偏瘫步态的影响

目的：探讨早期康复可否减轻脑卒中患者偏瘫步态模式的程度。方法：120例60岁以下的卒中偏瘫患者被随机分为康复组(60例)和对照组(60例)。康复组从病后平均第8天开始进行床边康复训练,每日1次,每次30min,其余时间由家属协助训练,训练过程中强调股内收肌群,屈髋、屈膝肌群,胫前肌群及躯干肌的训练。对照组只接受神经科常规治疗。结果：经过平均72d的观察,康复组患者独立步行时不伴有明显的偏瘫步态模式(髋关节外旋、外展、“划圈”)38例(63．3％),而对照组仅11例(18．3％);康复组髋关节活动度及下肢运动功能Fugl-Meyer得分明显高于对照组;康复组坐位平衡和站位平衡达Ⅱ级和Ⅲ级者分别是56例(93．3％)和39例(65％),对照组分别是39例(65％)和18例(30％)。结论：早期有针对性的康复训练可减轻偏瘫步态模式的程度,提高卒中患者的运动能力。     

三维运动解析系统测试脑卒中偏瘫步态的运动学定量评价

背景:近年来兴起的三维运动解析技术,可获得多项行走过程中的生物力学参数,代表了目前步态生物力学研究的先进水平.目前该技术在国外开展较多,而国内则较少.国内有限的研究主要集中在对偏瘫患侧下肢矢状面上运动的分析.目的:对偏瘫患者步行运动进行三维立体运动学分析,与正常步态对比,分析脑卒中偏瘫步态的运动学变化特征.方法:运用三维运动解析系统,对10例首发缺血性脑卒中偏瘫患者进行步态分析,以10例健康者作为对照.检测健康对照组步行过程中的基本时空参数、步态周期参数与骨盆三维运动角度参数,并对其运动过程中的对称性进行分析.检测两组下肢髋、膝、踝关节的三维运动学角度参数,对比两组下肢关节运动在矢状面、横断面与冠状面上的变化特征.结果与结论:偏瘫步态表现出下肢运动膝关节屈曲受限,膝关节活动度减小.髋关节内收、旋内不足,外展与旋外角度增大.提示三维运动解析系统测试可测定偏瘫患者步行功能,定量评价偏瘫患者下肢关节运动变化,从而进行相应针对性的稳定性与协调性训练.     

基于迭代学习控制智能下肢假肢研制:实现了对健肢步速的跟随

背景:传统下肢假肢通过手动方式将气压或者液压膝关节阻尼器调整到一种比较适宜的状态,行走状态改变时膝关节阻尼不能随之改变,假肢跟随性差,步速变化范围小.智能下肢假肢能够根据人体运动信息调整膝关节阻尼力,从而达到更加接近正常步态的效果.开发国内智能下肢假肢对提高国内残疾人生活质量有着重要的现实意义.目的:研制能够实现步速跟随功能的智能下肢假肢.方法:智能下肢假肢机械部分采用带固定式气缸阻尼器的四连杆机构,由四连杆后臂下轴的转动角度得出步行速度,依照迭代学习算法得出的知识库确定该步行速度下的针阀开度,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:实验结果显示,采用电位计作为检测手段不但能够获得步行速度,而且能够区分支撑期和摆动期.在不同速度下,智能下肢假肢膝关节最大摆动角度变化小于13°.提示智能下肢假肢能够识别步行速度,并根据步行速度调整膝关节摆动速度,实现了对健肢步行速度的跟随,为进一步的研究奠定了实验基础.