上、下楼梯步态参数变化特征研究

目的采集上、下楼梯过程中健康人体下肢运动学、动力学功能参数,为外骨骼助行器实现上、下楼梯这一运动形式的步态轨迹设计和驱动元件选型提供数据支持。方法设计常规楼梯实验装置,利用三维运动捕捉系统和三维测力台系统同步测量方法测量上、下楼梯时踝、膝、髋关节运动信息,应用SPSS统计软件和Origin绘图软件分析下肢运动特点,并对比分析上、下楼梯时下肢的功能参数。结果通过实验获得健康青年人在上、下楼梯时下肢关节在矢状面关节角度、关节力矩随步态变化规律及活动极限值,上楼时踝、膝、髋关节角度依次为-10.66°~13.26°、6.85°~88.92°、1.31°~50.18°,下楼时踝、膝、髋关节角度依次为-37.42°~27.18°、9.83°~95.53°、8.01°~31.62°。上、下楼梯时所需最大踝、膝、髋关节力矩依次为1.788、1.121和0.946 N·m/kg。结论上、下楼梯时人体下肢步态参数随步态变化趋势与关节运动范围显著不同。助行器步态规划要针对上、下楼梯单独设计,驱动元件的选型上要满足上、下楼梯时各关节的最大力矩需求。     

基于深度相机和神经网络的下肢关节力矩估计

目的 通过深度相机和神经网络估计人在直线行走时髋、膝和踝关节的屈伸力矩。方法 利用光学运动捕捉系统、测力板和Azure Kinect深度相机采集20个人的步态信息,受试者被要求以其偏好的步行速度直线行走,同时踏在测力板上。并利用Visual 3D仿真得到关节力矩作为参考值,分别训练人工神经网络（artificial neural network,ANN）模型与长短期记忆（long short-term memory,LSTM）模型进行关节力矩估计。结果 ANN模型估计髋、膝和踝关节的关节力矩的相对均方根误差（relative root mean square error,rRMSE）分别为15.87%~17.32%、18.36%~25.34%和14.11%~16.82%,相关系数分别为0.81~0.85、0.69~0.74和0.76~0.82。LSTM模型具有更好的估计效果,rRMSE分别为8.53%~12.18%、14.32%~18.78%和6.51%~11.83%,相关系数分别达到了0.89~0.95、0.85~0.91和0.90~0.97。结论 本文证实了利用深度相机和神经网络无接触估计人体下肢关节力矩方案的可行性,其中LSTM模型具有更佳的表现。关节力矩估计结果与现有研究相比具有更好的精度,潜在应用场景包含远程医疗、个性化康复方案制定以及矫形器辅助设计等。     

鞋跟高度对青年女性下楼梯步态的影响

目的 研究鞋跟高度对青年女性下楼梯步态的影响,分析女性穿高跟鞋下楼梯时的风险因素。方法 利用红外高速运动捕捉系统测试17名青年女性穿4种不同鞋跟高度皮鞋下楼梯的步态,计算受试者的步态时空参数和下肢关节角度。结果 与穿平跟鞋相比,穿3、5、7 cm高跟鞋下楼梯时步态周期增大,支撑相和双支撑相所占步态周期比例减小,步宽显著减小。与穿平跟鞋相比,穿5、7 cm高跟鞋下楼梯时踝关节矢状面内关节活动幅度均较小,穿3、5、7 cm高跟鞋时踝关节水平面内关节活动幅度均较大。穿3、5 cm高跟鞋时膝关节矢状面内关节活动度显著小于穿平跟鞋,穿3、5、7 cm高跟鞋时膝关节水平面内关节活动幅度显著大于穿平跟鞋。穿5、7 cm高跟鞋时髋关节最大屈曲角度显著大于穿平跟鞋,穿3、5、7 cm高跟鞋时髋关节最小屈曲角度显著大于穿平跟鞋。结论 随着鞋跟高度的增加,下楼梯时摆动期占步态周期百分比和步态周期都增大,而支撑相占步态周期百分比、双支撑相（后期）占步态周期百分比和步宽都减小,增加了下楼梯时跌倒的危险;同时,踝、膝关节矢状面内的关节活动幅度逐渐减小,水平面内的关节活动幅度增大。研究结果有助于深入了解鞋跟高度对穿着者下楼梯步态的影响特征和规律,为分析下楼时可能出现的损伤危险提供依据。     

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。     

衰弱状态和步行速度对老年人下肢关节运动学特征的影响

目的 研究衰弱状态和步行速度对老年人步行时下肢关节运动学特征的影响。 方法 招募 59 名 60 岁及以上老年人,根据衰弱指数清单将受试者分为非衰弱组、衰弱前组和衰弱组,采用 Xsens MVN 运动捕捉惯性传感器采集 3 组老年人慢速、习惯速度、快速行走时的运动学数据,应用双因素重复测量方差分析比较不同衰弱状态和步速下老年人行走时的下肢关节运动学特征差异。 结果 衰弱组老年人的年龄显著高于非衰弱组(P<0. 01),膝关节最大屈角、膝关节和踝关节活动范围(range of motion,ROM)显著低于非衰弱组和衰弱前组(P<0. 05);同时,衰弱组老年人踝关节最大跖屈角显著低于非衰弱组(P<0. 05);随着步速增加,衰弱组老年人的单支撑相时间显著增加(P<0. 05),3 组老年人髋关节矢状面最大角及其 ROM、膝关节最大屈角、踝关节最大跖屈角及其 ROM 显著增加(P<0.05),双支撑相时间、踝关节最大背屈角度和膝关节 ROM 显著减小(P<0. 05);所有关节角度中只有髋关节最大伸角及其 ROM、膝关节最大屈角在慢速与习惯速度之间出现显著差异(P<0. 05)。 相关性分析显示,衰弱前组和衰弱组老年人不同速度步行时髋、膝关节 ROM 均显著正相关(P<0. 01),衰弱组老年人在习惯速度和快速行走时膝、踝关节 ROM 显著正相关(P<0. 05)。 结论 随着衰弱程度的进展,老年人下肢关节矢状面角度持续降低,主要集中于膝、踝关节。 在行走时两个关节间同步性增强,自由度降低,但在提高步行速度时,衰弱状态基本不影响老年人的步行策略。 研究结果有助于对衰弱老年人群进行筛查及康复指导。     

短跑运动中下肢环节间互动动力学分析

目的从动作控制角度出发,探讨运动控制对提高短跑运动成绩以及预防运动损伤的可能影响。方法研究对象为8名国家级优秀短跑运动员(最好成绩:10.27s～10.80s),利用8台红外高速摄像系统(采样频率300Hz)与测力台系统(1200Hz)同步记录受试者在短跑最大速度阶段的运动学与动力学地面反作用力资料。根据逆动力学理论建立下肢多环节互动动力学模型,对短跑一个步幅的各种力矩进行量化分析。结果短跑支撑阶段地面反作用力矩是下肢各关节处的主要被动力矩,它在着地初期对膝关节产生一个较大的伸膝作用,腿后肌为抵抗此力矩的     

下肢主要关节的生物力学及两足姿势的分型

本在讨论髋、膝、踝关节的生物力学的基础上，择重了讨论两足姿势的分型。根据足长轴中心线与足跟横线之间的角度不同，两足的姿势也随之不同，可分为四种类型：1.前外侧型：内侧角度为96－125°；2.外八字型：内侧角度为126－155°；3.内八字型：内侧角度55－85°；4.前后型：内侧角度为86－95°。每侧足有三个支撑点，跟结节支撑点负荷占3／6；前内侧第一跖骨头支撑点负荷占2／6；前外侧第五跖骨头支撑点负荷占1／6。前组两个支撑点负荷体重的一半，后组一个支撑点负荷占另一半。三个支撑点分别为前后距离长的三角形，有利于支撑作用。     

河南某市农村老年人关节疾病的影响因素分析

目的 通过对河南某市农村老年人膝、腰关节疾病调查,了解河南某市农村老年人的膝、腰关节功能健康状况,为其提供方便可行的卫生服务。方法 对随机抽样该市15个行政村2201名老年人中患关节性疾病的影响因素及防治情况进行分析。结果 在调查的2156名老年人中,有膝、腰椎疾病的人数为668人,占调查人数的31.00%。生理特征、不健康的工作生活方式、关节过度负重是其发病的主要关联因素。结论 老年人关节疾病主要是骨性关节炎,年龄、性别、遗传、肥胖、关节外伤史、过渡运动等是其发病的主要危险因素。早期发现早治疗,延缓病程进展是目前的治疗原则。     

人体下肢关节坐标系的一种简单定义方法

在对人体运动进行运动学或者动力学分析的时候,通常需要对各关节建立局部坐标系,而目前大部分人体关节坐标系定义方法都主要针对临床应用,需要具备专业的解剖学知识且可操作性差。本文首先描述了下肢的主要解剖学特征点,并通过这些特征点构建了髋关节、膝关节及踝关节坐标系,提出了定义人体关节坐标系的基本原则。通过利用运动捕捉系统对自愿者步态过程中的下肢运动轨迹进行采集,分析构建坐标系的特征点在运动过程中空间相对位置的不变性,说明了文章提出的下肢关节坐标系定义方法在一定范围内是合理的。     

基于因子回归分析研究影响棒球击球机械能的下肢生物力学因素

目的 研究影响棒球击球机械能的下肢生物力学因素。方法 利用动作捕捉系统采集C3D数据,导入Visual 3D建立Hanavan多刚体人体模型和球棒的刚体模型,通过编制pipeline命令,计算并导出髋/膝/踝关节、躯干绕X、Y、Z轴旋转的角速度和关节力矩,使用SPSS对自变量和因变量之间逐步进行多元线性回归分析,将因子与因变量带入回归模型。结果 对球棒机械能影响最大的前4个自变量依次为：x19右踝关节跖屈/背伸力矩,β=91.97;x2左踝关节内翻/外翻力矩,β=91.74;x25右髋关节屈髋/伸髋力矩,β=91.58;x3左踝关节内旋/外旋力矩,β=91.50。结论 右髋关节屈髋/伸髋力矩与球棒机械功存在密切联系,击球者通过右髋关节的伸髋力矩产生使躯干和骨盆旋转,并实现能量向上肢的传导;左踝关节内收和外展力矩与球棒机械功存在密切联系,可用于击球早期的身体制动和击球晚期的身体旋转;针对左踝关节内收肌、右髋关节伸肌,有必要对右踝关节跖屈肌进行专项力量训练,以增强击球力量。     

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。     

电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯的三维有限元分析

针对电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯运动生物力学特性改变进行有限元仿真研究,对比分析膝关节生物力学行为改变与电针治疗疗效的相关性.基于CT和MRI图像数据,结合Mimics和Geomagic医学图像处理软件,建立人体膝关节下楼梯屈曲15°和上楼梯屈曲50°时的三维有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内外侧半月板、股骨...     

Trunk and Lower Extremity Kinematics During Stair Descent in Women With or Without Patellofemoral Pain

Context

There is limited evidence indicating the contribution of trunk kinematics to patellofemoral pain (PFP). A better understanding of the interaction between trunk and lower extremity kinematics in this population may provide new avenues for interventions to treat PFP.

Objective

To compare trunk and lower extremity kinematics between participants with PFP and healthy controls during a stair-descent task.

Design

Cross-sectional study.

Setting

Research laboratory.

Patients or Other Participants

Twenty women with PFP (age = 22.2 ± 3.1 years, height = 164.5 ± 9.2 cm, mass = 63.5 ± 13.6 kg) and 20 healthy women (age = 21.0 ± 2.6 years, height = 164.5 ± 7.1 cm, mass = 63.8 ± 12.7 kg).

Intervention(s)

Kinematics were recorded as participants performed stair descent at a controlled velocity.

Main Outcome Measure(s)

Three-dimensional joint displacement of the trunk, hip, and knee during the stance phase of stair descent for the affected leg was measured using a 7-camera infrared optical motion-capture system. Pretest and posttest pain were assessed using a visual analogue scale. Kinematic differences between groups were determined using independent-samples t tests. A 2 × 2 mixed-model analysis of variance (group = PFP, control; time = pretest, posttest) was used to compare knee pain.

Results

We observed greater knee internal-rotation displacement for the PFP group (12.8° ± 7.2°) as compared with the control group (8.9° ± 4.4°). No other between-groups differences were observed for the trunk, hip, or other knee variables.

Conclusions

We observed no difference in trunk kinematics between groups but did note differences in knee internal-rotation displacement. These findings contribute to the current knowledge of altered movement in those with PFP and provide direction for exercise interventions.Key Words: anterior knee pain, knee internal rotation, neuromuscular control

Key Points

• Trunk kinematics did not differ between women with and without patellofemoral pain during stair descent.
• Women with patellofemoral pain demonstrated greater knee internal-rotation displacement during stair descent than women without patellofemoral pain.

Patellofemoral pain (PFP) is one of the most frequent chronic injuries among females.^1,2 The causes of PFP are multifactorial, with patellofemoral malalignment commonly accepted as a major contributor.^2,3 Patellofemoral malalignment increases contact pressure within the patellofemoral joint, leading to abnormal cartilage wear and ultimately degenerative changes if left untreated or if conservative treatment options fail.^4,5Lower extremity kinematics may directly influence patellofemoral contact pressure during dynamic tasks. Specifically, the motions of femoral internal rotation, femoral adduction, and knee valgus increase patellofemoral contact pressure.^3,6–8 Extensive research^3,6,9–13 has been conducted to determine alterations in lower extremity kinematics associated with PFP. Lower extremity kinematics may be influenced by other factors that, if recognized, may have a significant effect on treatment interventions for those with PFP.Although there is evidence that trunk kinematics influence lower extremity kinematics and loading,^14–16 few studies have examined trunk kinematics in participants with PFP.^17,18 The presence of aberrant trunk motion in those with PFP and its influence on lower extremity kinematics has been theorized.¹⁹ In the frontal plane specifically, it has been proposed that individuals with PFP who display hip-abductor weakness compensate by elevating the contralateral pelvis and leaning toward the stance limb. This trunk lean has the potential to alter the orientation of the ground reaction force and subsequent external moments acting on the knee in the frontal plane. In the sagittal plane, trunk flexion moves the ground reaction force vectors anteriorly to both the hip and knee joints, thereby increasing the demand of the hip extensors and decreasing the demand of the knee extensors. Decreasing the quadriceps demand decreases the compressive forces within the patellofemoral joint.¹⁹ Given that previous researchers^13,14,16 have demonstrated a relationship between trunk and lower extremity kinematics in a healthy population, it is plausible that individuals with PFP may have altered trunk kinematics that indirectly influence patellofemoral contact pressure.The primary purpose of our study was to compare trunk and lower extremity kinematics during stair descent between women with and without PFP. Our a priori hypotheses were that women with PFP would have greater trunk rotation and lateral flexion toward the stance leg and greater overall trunk flexion. Based on previously reported observations,^20–25 we also expected to observe greater hip adduction, hip internal rotation, and knee valgus in those with PFP.     

衰老进程中老年人下肢刚度变化的研究进展

下楼梯、走路以及跑步是日常生活中的常见动作,但对于功能衰退的老年人却容导致跌倒或受伤,且人体为了应对各种情况以避免摔倒,最先启动的运动神经保护机制是下肢刚度的调节。基于此,本研究通过中国知网、万方、Google Scholar、Web of Science等数据库,以主题为老年人、下肢刚度等关键词检索并收集相关研究成果,总结不同动作任务中下肢刚度变化的异同点。研究结果表明,对可控因素进行干预能够改善下肢刚度的变化从而预防老年人跌倒。但由于相关研究较少,未来仍需要深入探究运动干预对老年人下肢刚度的影响,以得到更加可靠的规律性特征和依据。     

单间室与全膝关节置换术对膝骨关节炎患者楼梯行走时生物力学特征的影响

目的 探究单间室膝关节置换术（unicompartmental knee arthroplasty,UKA）与全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）对膝骨关节炎术后的临床疗效。方法 随机招募TKA患者21例、UKA患者15例。分别在术前以及术后6、12个月进行生物力学测试。采用Vicon红外动作捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集受试者楼梯行走的运动学和动力学数据。结果 在上楼梯时,TKA组受试者术前膝屈曲力矩峰值显著低于UKA组,术后6个月到达膝屈曲/内收力矩峰值时间、膝屈曲力矩冲量及膝内收力矩峰值负载率显著小于UKA组。在下楼梯时,UKA组术前和术后6个月伸膝功率峰值显著较小,垂直地面反作用力峰值负载率术前显著较大,膝伸展力矩峰值术后6个月显著较大;在术后12个月,楼梯行走的生物力学特征未出现明显的差异性。结论 TKA组和UKA组在手术后表现出相似的膝关节功能,但TKA组可能采取不同于UKA组的下肢生物力学模式。在楼梯行走时,UKA组术后表现出更好的股四头肌控制能力,提高了楼梯行走尤其是下楼梯的姿势控制能力,而TKA组则采取保守的楼梯步态策略以降低楼梯行走的膝关节负荷。相比于力矩峰值,到达力矩峰值的时间及力矩峰值负载率是发现膝关节负荷差异性更灵敏的指标。     

老年人搂膝拗步动作的下肢运动协调特征分析

目的 探讨65岁以上健康老年人进行太极拳搂膝拗步动作时下肢运动的协调性和稳定性。方法 30名太极拳练习者随机完成步行和搂膝拗步动作,采用Vicon三维动作捕捉系统收集下肢运动学数据。结果 搂膝拗步动作时,矢状面关节角度和髋-膝和膝-踝关节相位值变换频繁,髋-膝和膝-踝关节的平均相对相角绝对值以及髋、膝关节平均标准差显著小于步行。结论 与步行相比,太极拳搂膝拗步动作时髋-膝和膝-踝关节呈现出更协调稳定的关节间运动模式。太极拳锻炼可能会为老年人提供一种特定的协调训练方式,提高姿势稳定性,预防跌倒发生。     

基于图像信息的人体下肢关节定位

人体下肢关节定位在全身运动的跟踪与分析中具有重要的作用。本研究针对侧面行走时人体的几何特征提出了下肢关节点定位的方法，由此，进一步对任意行走姿态下人体模型的下肢关节点进行了准确的定位。经过大量的人体模型和实际人体序列的关节定位实验验证，表明此方法简单有效，在不需要任何标记的情况下，可以对行走人体序列的下肢关节点进行实时检测。