女性全身关节过度活动患者跳深着陆时膝关节应力分析

目的 分析全身关节过度活动(generalized joint hypermobility, GJH)女性患者与健康女性在跳深着陆中膝关节软骨、半月板von Mises应力分布差异。方法 采集女性GJH患者与女性健康受试者在跳深着陆缓冲阶段垂直地面反作用力(vertical ground reaction force, VGRF)峰值时刻的膝关节运动学与地面反作用力特征,通过逆动力学计算膝关节反作用力,并将膝关节沿股骨长轴方向的合力作为载荷;基于1名女性膝关节三维有限元模型,分别对2组受试者跳深着陆过程进行数值仿真,计算膝关节软骨与半月板von Mises应力及应力分布。结果 在跳深着陆VGRF峰值时刻,GJH组和对照组膝关节屈曲、外翻角度具有统计学意义(P<0.05)。相比于对照组,GJH组膝关节屈曲角度降低、外翻角度增加;在跳深着陆中,GJH组膝关节内部承受应力更大且胫股关节内、外侧室负重区应力分布不均衡,其股骨软骨外侧髁外侧、外侧胫骨软骨前部/中部外侧以及外侧半月板前角、体部外侧缘为应力集中部位。结论 女性GJH患者因膝关节活动范围增大、关节囊松弛,导致在跳跃类项目中膝关节...     

平地行走人体的三维动力学模型及其关节力学研究

本文借助测力板测得足对地面的合力作用位置，以及足的外形曲线，提出了足对地面姿态位置的积分方程，利用关节角度传感器，结合多刚体力学原理，建立了行走人体的三维运动学、动力学方程，它不仅具备了目前先进的红外摄像步态分析系统的功能，而且整套系统价格便宜，为在简易测试设备上进行步态分析开辟了新途径     

痉挛型脑瘫患者功能性选择性脊神经后根切断术前后的三维步态特征分析

目的分析痉挛型脑瘫患者功能性选择性脊神经后根切断(functional selective posterior rhizotomy,FSPR)手术前后的步态特征,客观量化评估手术疗效。方法选取15名将要进行FSPR手术治疗的痉挛型脑瘫患者,应用VICON三维运动捕捉系统结合AMTI三维测力台对患者进行手术前后的步态采集,分析手术前后步态的时空、运动学及动力学参数。结果手术后,左、右支撑时间均大于手术前,左侧步长明显大于手术前,步高、步速及冠状面重心偏移均小于手术前;着地时的膝关节矢状面角度(即屈伸角度)出现明显提高,髋、踝关节未见明显差异。手术后,步行过程中左右侧髋、膝、踝关节活动范围(range of motion,ROM)在矢状面均出现不同程度的提高,且有统计学差异;右踝关节冠状面ROM也出现明显提高。手术后,右膝关节最小屈曲角度及左、右踝关节最大跖屈角度均出现显著减小;左、右侧支撑相最大垂直力较手术前明显提高,而下肢关节力矩未见明显差异。结论三维步态分析可以在一定程度上评估痉挛型脑瘫患者FSPR手术的疗效。术后痉挛型脑瘫患者的痉挛得到缓解,对步态的时空参数及下肢关节运动学参数改善比较明显,而对于动力学参数改善相对不明显,需进行进一步康复治疗。     

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...     

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。     

步态运动学及动力学的研究方法

背景:运动学运用几何学的方法来研究物体的运动,通常不考虑力和质量等因素的影响;动力学主要研究人作用于物体的力与物体运动的关系。目的:通过对运动学及动力学研究设备的介绍,引出运动学及动力学的研究现状,为以后人们对新设备的研究与新的步态研究实验提供依据。方法:以gait,kinetics,kinematics为检索词,检索Pubmed数据库(1999-01/2009-06)。以步态,运动学,动力学为检索词,检索CNKI数据库(1999-01/2009-06)。文献检索语种限制为英文和中文。纳入有关步态的运动、动力学研究设备,排除其他运动学、动力学研究实验,排除较为陈旧,重复性研究。结果与结论:计算机初检得到2367篇文献,根据纳入排除标准,对33篇文献进行分析。在步态分析方法上,国内外己经进行了多方面的研究,内容虽各有不同,但就对步态的测试方面,使用的仪器和方法几乎一致,即使用摄影或摄像记录和计算测量运动学参数,使用测力台记录动力学参数,也有少数使用足底压力分布器测量更精确的足-地压力分布规律,然后进行综合的统计分析等。动力学及运动学步态分析的应用不仅在康复医疗上,而且现正广泛运用到竞技体育和与之相关的鞋类制作,常用的方法是平面定点摄像及测力台分析。     

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。     

约束复合踝关节运动对人体步态稳定性的影响

本文目的是研究约束复合踝关节内(外)翻和旋内(外)运动对人体步态稳定性的影响。试验在水平湿滑试验台上进行,对比了约束复合踝关节内(外)翻和旋内(外)运动(FIXED)以及无束缚(FREE)两种状态,分析了时-空步态参数、运动学参数、动力学参数以及利用摩擦系数(UCOF)。试验结果表明FIXED可能会导致步速和跨步长显著增大,双支撑期显著缩短。同时,FIXED可影响膝关节和踝关节的关节角度在矢状面内的运动幅度。另外,约束后利用摩擦系数显著增大,这反映了滑跌概率的增大以及步态稳定性的减弱。因此,在助行器、双足机器人或者假肢设计中,应该进行结构设计以实现复合踝关节内(外)翻及旋内(外)运动。     

足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响

目的 研究足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响。 方法 在水平湿滑试验台上进行足部跖趾关节有、无约束两种状态下的步态实验,分析时空步态参数、运动学参数、动力学参数以及利用摩擦因数( utilization coefficient of friction,UCOF)差异。 结果 跖趾关节有约束状态下,人体行走平均步速减小 50 mm/ s,跨步长度缩小0. 22 m,双支撑相时间缩短 70 ms;跖趾关节约束会使髋、膝关节在矢状面内的活动范围显著增大,而踝关节活动范围减小。 同时,跖趾关节约束状态 UCOF 幅值是无约束状态的 1. 15 倍,表明人体滑跌的概率增大以及行走不稳定性增加。 结论 足部跖趾关节约束会降低行走稳定性。 研究结果为足部趾屈运动康复设备的研发提供数据和理论支持     

基于机械系统动力学自动分析的步态仿真足部分块模型

本文旨在建立适用于步态动力学仿真分析的足部分块模型并验证其有效性及实用性。本文基于新型的混合驱动人体步态试验机,将骨骼模型导入机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)中,结合在其中建立的足部韧带、筋膜、肌肉模型及柔性体足底软组织模型,组成足部分块模型。用在体试验采集到的步态数据作为驱动,并在模型上加载肌肉力和肌腱力,进行步态模拟。将得到的地面反作用力及关节旋转角度与报道结果进行比较,验证了模型的有效性。本文仿真结果表明,本模型能较好地用于步态动力学仿真分析,并有望作为进一步研究的工具。     

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真

目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°(分别命名为模型1、2、3)。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大(2.6 kN)。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。     

A neural network approach for determining gait modifications to reduce the contact force in knee joint implant

There is a growing interest in non-surgical gait rehabilitation treatments to reduce the loading in the knee joint. In particular, synergetic kinematic changes required for joint offloading should be determined individually for each subject. Previous studies for gait rehabilitation designs are typically relied on a “trial-and-error” approach, using multi-body dynamic (MBD) analysis. However MBD is fairly time demanding which prevents it to be used iteratively for each subject.This study employed an artificial neural network to develop a cost-effective computational framework for designing gait rehabilitation patterns. A feed forward artificial neural network (FFANN) was trained based on a number of experimental gait trials obtained from literature. The trained network was then hired to calculate the appropriate kinematic waveforms (output) needed to achieve desired knee joint loading patterns (input). An auxiliary neural network was also developed to update the ground reaction force and moment profiles with respect to the predicted kinematic waveforms. The feasibility and efficiency of the predicted kinematic patterns were then evaluated through MBD analysis.Resuls showed that FFANN-based predicted kinematics could effectively decrease the total knee joint reaction forces. Peak values of the resultant knee joint forces, with respect to the bodyweight (BW), were reduced by 20% BW and 25% BW in the midstance and the terminal stance phases. Impulse values of the knee joint loading patterns were also decreased by 17% BW*s and 24%BW*s in the corresponding phases. The FFANN-based framework suggested a cost-effective forward solution which directly calculated the kinematic variations needed to implement a given desired knee joint loading pattern. It is therefore expected that this approach provides potential advantages and further insights into knee rehabilitation designs.     

Ageing effects on knee and ankle joint angles at key events and phases of the gait cycle

The objective of this research was to determine whether joint angles at critical gait events and during major energy generation/absorption phases of the gait cycle would reliably discriminate age-related degeneration during unobstructed walking. The gaits of 24 healthy adults (12 young and 12 elderly) were analysed using the PEAK Motus motion analysis system. The elderly participants showed significantly greater single (60.3% versus 62.3%, p < 0.01) and double ( p < 0.05) support times, reduced knee flexion (47.7 degrees versus 43.0 degrees , p < 0.05) and ankle plantarflexion (16.8 degrees compared to 3.3 degrees , p = 0.053) at toe off, reduced knee flexion during push-off and reduced ankle dorsiflexion (16.8 degrees compared to 22.0 degrees , p < 0.05) during the swing phase. The plantarflexing ankle joint motion during the stance to swing phase transition (A2) for the young group (31.3 degrees ) was about twice ( p < 0.05) that of the elderly (16.9 degrees ). Reduced knee extension range of motion suggests that the elderly favoured a flexed-knee gait to assist in weight acceptance. Reduced dorsiflexion by the elderly in the swing phase implies greater risk of toe contact with obstacles. Overall, the results suggest that joint angle measures at critical events/phases in the gait cycle provide a useful indication of age-related degeneration in the control of lower limb trajectories during unobstructed walking.     

The effect of motion patterns on edge-loading of metal-on-metal hip resurfacing

The occurrence of pseudotumours (soft tissue masses relating to the hip joint) following metal-on-metal hip resurfacing arthroplasty (MoMHRA) has been associated with high serum metal ion levels and consequently higher than normal bearing wear. We investigated the relationship between serum metal ion levels and contact stress on the acetabular component of MoMHRA patients for two functional activities; gait and stair descent. Four subjects with MoMHRA, who had their serum metal ion levels measured, underwent motion analysis followed by CT scanning. Their motion capture data was combined with published hip contact forces and finite element models representing 14% (peak force) and 60% (end of stance) of the gait cycle and 52% (peak force) of stair descent activity were created. The inclination angle of the acetabular component was increased by 10° in 1° intervals and the contact stresses were determined at each interval for each subject.When the inclination angle was altered in such a way as to cause the hip contact force to pass through the edge of the acetabular component edge-loading occurred. Edge-loading increased the contact stress by at least 50%; the maximum increase was 108%. Patients with low serum metal ion levels showed no increase in contact stress at peak force during gait or stair descent. Patients with high serum metal ion levels exhibited edge-loading with an increase to the inclination angle of their acetabular components. The increase in inclination angle that induced edge-loading for these subjects was less than the inter-subject variability in the angle of published hip contact forces. The results of this study suggest that high serum metal ion levels are the result of inclination angle influenced edge-loading but that edge-loading cannot be attributed to inclination angle alone and that an individual's activity patterns can reduce or even override the influence of a steep acetabular component and prevent edge-loading.     

不同速度下正常老年人下肢关节的角度参数

背景：目前国内主要采用步态分析仪测量患者步行时的关节角度,但是在每一个康复治疗时期进行这些测量非常耗费时间。利用Lokomat步态康复机器人则可以在患者训练过程中对患者的关节角度、肌力等参数进行实时记录,省时省力。 目的：采用步态康复机器人Lokomat测定正常老年人不同速度下的下肢关节角度参数。 方法：选取健康老年人30名,男15名,女15名,年龄60~64(62.40±1.58)岁。利用步态康复机器人评估工具,在减重40%,引导力60%,速度1.6,1.8,2.0 km/h状态下对正常老年人的下肢关节角度参数进行记录。 结果与结论：老年人关节角度参数动态指标测试结果显示,在速度1.6 km/h状态下左髋关节最大伸展角度,在速度2.0 km/h状态下左、右髋关节最大屈曲角度,男女组间差异有显著性意义(P < 0.05)。老年人不同速度下髋膝关节角度测试结果显示,老年人左右膝关节最大伸展角度在步行速度1.6 km/h与1.8 km/h,1.6 km/h与2.0 km/h,1.8 km/h与2.0 km/h相比差异有显著性意义(P < 0.05)。结果可见不同速度下髋关节最大屈曲角度男性大于女性,治疗师在进行Lokomat步态康复训练时应根据患者的性别差异,调整髋膝关节角度和训练模式。随着步行速度的增加老年人髋膝关节屈曲角度增加,伸展角度减小,治疗师应根据步速的增减适当调节髋膝关节活动度,增强患者腿部运动与机器人外骨骼式机械腿的配合,提高患者的训练效果。     

基于深度神经网络和逐层相关性传播技术探究“高-低”里程跑者步态模式差异

目的 通过深度神经网络(deep neural network, DNN)分类模型揭示高里程跑者( high-mileage runner, HMR) 和低里程跑者 ( low-mileage runner, LMR) 跑 步 步 态 模 式 差 异, 并 探 讨 逐 层 相 关 性 传 播 ( layer-wise relevance propagation, LRP)技术解释 DNN 分类器模型的决策有效性。 方法 通过 DNN 对 HMR 和 LMR 总计 1 200 组跑步 步态特征数据进行训练分类识别,采用 LRP 计算相关变量在不同步态阶段的相关性得分( relevance score, RS),提 取高相关变量对步态模式差异进行解释性分析。 结果 DNN 对 HMR 和 LMR 的跑步步态模式特征分类精度达到 91. 25% 。 LRP 计算结果显示支撑前期(1% ~ 47% )各变量的成功分类贡献率高于支撑后期(48% ~ 100% )。 踝关节 相关轨迹变量 RS 的贡献率总和达到 43. 10% ,膝、髋关节贡献率分别为 37. 07% 、19. 83% 。 结论 膝、踝关节相关 生物力学参数对识别 HMR 和 LMR 步态特征的贡献程度最高。 跑步支撑早期可能包含更多步态模式信息,能够提 升步态模式识别的有效性和敏感性。 LRP 实现了对模型预测结果的可行性解释,从而为分析步态模式提供了更有 趣的见解和更有效的信息。     

CCR5△32、CCR5m303、CCR2-64I、SDF1-3''A基因多态性对中国HIV-1感染者预后的影响

目的研究CCR5A32、CCR5m303、CCR2-64I、SDF1—3’A基因多态性对中国HIV-1感染者预后的影响。方法对在深圳地区发现的HIV-1感染者进行流行病学调查，应用PCR／RFLP技术分析感染者CCR5G32、CCR5m303、CCR2-64I、SDF1-3’A4种基因的多态性，对部分人群进行HIV-1血浆病毒载量和CD4^＋细胞计数的检测，判断感染者的潜伏期，使用SPSS11．0统计软件分析基因多态性对感染者病毒载量和潜伏期的影响。结果在189例HIV-1感染者中没有发现CCR5A32和CCR5-m303突变基因型，SDF1—3’A的等位基因频率为26．14％，CCR2—64I的等位基因频率为19．82％。方差分析发现，CCR2-64I基因野生型与杂合型的两组HIV-1感染者人群病毒载量对数的大小差异无统计学意义（P=0．272），两组人群潜伏期的长短差异无统计学意义（P=0．662）。SDF1基因野牛型、杂合型和纯合型的3组HIV-1感染者人群病毒载量对数的大小差异有统计学意义（P=0．001），但3组人群潜伏期的长短差异无统计学意义（P=0．228）。结论CCR2-64I基因突变对中国汉族HIV-1感染者病毒载量没有明显影响，因而也不影响感染者的潜伏期。SDF1-3’A基因突变对于病毒载量有降低作用，但对延长感染者潜伏期可能没有作用。     

基于nmsBuilder和OpenSim建立个性化 骨肌模型及其验证

目的 利用nmsBuilder和OpenSim两款软件构建个性化全膝关节置换（total knee replacement, TKR）术后骨骼肌肉多体动力学模型,并用弹跳式和内推式两种步态对构建模型进行验证分析。方法 利用患者骨骼数据,通过nmsBuilder建立骨骼实体、骨标点和肌肉标点,从而自动生成对应参考系统和肌肉,将nmsBuilder生成的骨肌模型导入OpenSim先后执行逆向运动学、静态优化和膝关节接触力分析,最后通过弹跳式和内推式两种步态对模型进行模拟分析,并与实验测量值进行对比验证。结果 除了外侧关节接触力,模型预测的胫股关节接触力幅值和趋势与实验获得数据对比有很好的一致性,构建的骨骼肌肉多体动力学模型可以被用于膝关节研究。结论 利用患者骨骼信息建立的骨肌模型通过输入标记点位置和地面反作用力,可以同时预测出内侧、外侧以及总胫股关节接触力。研究思路可为TKR患者设计个性化膝关节假体提供参考。