基于有限元方法的全髋关节假体个体化选型分析

目的 研究ISO 7206标准对全髋关节置换术临床应用的指导意义。方法 建立肌骨数值模型,对正常行走步态进行仿真,以获得下肢的运动学和动力学参数;建立对应的全髋关节假体有限元模型,应用步态载荷进行计算,并对比ISO标准的有限元模型计算结果。结果 正常行走步态下,髋关节力分别在20%和54%步态周期出现峰值,以此作为有限元计算的步态载荷,得到20%步态周期时假体应力最大;松动模型中假体柄上最大应力大于无松动模型中假体柄上最大应力,且应力分布趋势存在差异;分析对比ISO测试和不同体重人体步态载荷下的假体最大应力,得到ISO测试中最大应力水平对应108~142 kg体重载荷下的假体最大应力。结论ISO测试中合格的假体可满足100 kg体重人体正常步态下的强度要求。     

鞋跟高度对地面反力和鞋底压力中心的影响

目的：通过研究女性行走时地面反力和鞋底压力中心，探讨鞋跟高度对地面反力和鞋底压力中心的影响。方法：测量穿不同类型和不同鞋跟高度的受试者，在不同行走速度下地面反力的大小和鞋底压力中心，分析地面反力变化和鞋底压力中心轨迹。结果：自然步速下，垂直方向上地面反力峰峰值随鞋跟高度增加而增大；穿中高鞋的侧向反力的峰峰值最大，而前进方向上峰峰值最小。随鞋跟高度的增加，鞋底压力中心侧向的移动量明显增大。结论：鞋跟高度导致人体侧向移动量增大，不同鞋跟高度对地面反力产生不同的影响。     

上肢抓取运动协调控制模式分析

为了探讨人体上肢运动功能康复评定方法,本文研究了健康人抓取过程中的运动协调模式。实验检测了8名健康受试者在不同条件下抓取水杯喝水动作时手臂运动轨迹和主要控制肌群的肌电信号,并且与理论计算结果进行了比较分析,探讨了抓取运动的协调规律。结果表明抓取动作具有运动轨迹的拓扑不变性,关节角度之间存在线性协同变化关系,多块肌群结成运动协调元实现抓取运动的控制。     

组配式人工半骨盆假体重建的生物力学分析

Objective To analysis the biomechanical characteristics of the reconstructed pelvis with modular hemi-pelvie prosthesis by finite element (FE) method. Methods A subject-specific finite element model of pelvis was established. Th experiment was performed on the same cadaveric pelvis. Eight points on the surface of cortical bone was determined. Both the same load and boundary conditions were applied on the FE model and experiment. The stress by experiment (σ EXP) was calculated based on the data collected from the strain discs. Linear regression was performed with the stress predicted by FE model (σFEM) and experi-ment data to validate the FE model. A defect pelvic (with zone Ⅱ +Ⅲ in left hemi-pelvis) FE model was con-structed and assembled with the prosthesis. The stress distribution on the eontra lateral hemi-pelvis was cal-culated by the reconstructed pelvic FE model (σRS), and the results were compared with that of the normal pelvis (σNS). Also the comparison was clone at the resection level of the affected hemi-pelvis between normal pelvic FE model (σNR) and reconstructed model (σRR) both on medial and lateral cortical bone of the pelvis. Structural analysis was performed on the whole set of implant. Results FE predictions were strongly correlated with experimental results (R2=0.87). No significant difference was found between the σRS and σNS (t=1.81, P=0.08). Regarding to the stress distribution at lilac resection level, no difference was found between σNR and σRR on the medial side (t=0.47, P=0.65). However, on the lateral side, σRR were signifi-cantly higher than the σNR (t=2.78, P=0.02). The peak stress of the prosthesis was about 183 MPa located at the conjunction of the acetabulum and the iliac fixation part. The main load conduction path on the prosthe-sis was at the posterior side of column portion part of the iliac fixation. Conclusion Reconstruction with modular hemi-pelvic prosthesis could recover the pelvic biomechanics with rational mechanical design.     

前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

人体完成动作过程中股胫关节接触的影像技术及有限元方法分析

目的:基于X射线照相术、CT技术及荧光镜图像和MRI技术对人体股胫关节接触的测量方法及存在问题进行综合分析。资料来源:主要应用计算机检索1998-01/2004-12elsevier数据库的文献,检索词为“femur,tibia,contact,kneepressure”,限定文章语言为English。同时检索2003-01/2004-12http://www.chinajournal.edu.cn的文献,检索词为“股骨,胫骨,关节接触,有限元分析”,限定文章语言种类为中文。资料选择:对资料进行初审,选取与股胫关节接触判断方法、接触压力分析相关的文献。纳入条件:①动物实验。②临床研究。③观察性研究。此外根据数据库提供的文章相关性检索工具又进行了进一步检索。排除条件:①非图像方法文献。②综述文献。③重复研究。资料提炼:共收集到15篇与膝关节接触压力和接触位置判断关系紧密的文献。数据综合:①基于MRI技术的股胫关节接触:分析发现,当从0°位置到30°位置曲膝时,接触点向后、下和侧方移动,当继续曲膝到60°位置时,接触点略向前、上和进一步侧向移动。相对于股骨,胫骨出现轻微轴向转动。接触点在内侧和外侧的运动是不对称的。②基于X射线照相术和CT技术的股胫关节接触:在股胫关节近距离接触中,中间接触较侧面接触大。此外,股胫关节内侧接触轨迹长度在关节前后和内外方向比外侧长。③基于荧光镜图像和MRI技术的股胫关节接触对于规则形状实体的移动和转动精度分别控制在0.1mm和0.1°内。④存在问题:MRI方法测量膝关节是在静止且无生理载荷以及未考虑肌肉随时间的收缩等情况下完成的;X射线照相术和CT方法测量无法得到含关节软骨的接触情况;荧光镜图像和MRI方法分析中计算和对位工作量很大。结论:在MRI图像的基础上,寻找一种重构关节三维模型的方法,结合步态测试系统获得的参数,通过优化的方法及接触判断的方法获得人体在完成某个动作过程中关节的接触情况,可能更具有普遍意义。     

6分量应变式力传感器弹性体

多分量力传感器是人体生物力学参数测试的重要工具之一．现在已经广泛地应用于生物医学工程研究。近年来应用比较广泛的步态分析系统中的测力平台就是利用多分量力传感器检测三个方向的地面反力和力矩，分析人体在行走过程中的受力规律，进行运动功能康复诊断与评定；王广志和张力群利用6分量力传感器检测敲击髌韧带时膝关节的反射力矩；哈尔滨工业大学研制的航天服关节阻尼力矩的机器人测试系统采用的也是6分量力传感器，     

组配式人工半骨盆假体重建的生物力学分析

目的 探讨组配式人工半骨盆假体重建后骨盆生物力学改变及假体力学结构特点.方法 (1)建立正常骨盆的三维有限元模型和离体试验骨盆模型.于骨盆表面选取8个特征测点,在相同的载荷及边界条件下,利用有限元模型计算测点表面应力(σFEM),通过离体试验测量测点应变值,并计算标本表面应力(σEXP).对σFEM和σEXP进行线性回归分析验证.(2)利用验证的正常骨盆有限元模型进行左侧骨盆缺损(Ⅱ+Ⅲ区)及人工假体重建模型的建模.计算重建骨盆健侧特征测点的表面应力(σRS)及患侧髂骨截骨处内、外侧皮质表面应力(σRR),分别与正常骨盆相同位置测点应力值(σNS,σNR)进行比较.(3)分析假体应力传导结构表面应力分布特点及应力集中部位.结果 (1)骨盆有限元计算结果 与离体试验结果 有良好的一致性(R~2=0.87),模型仿真度较高.(2)重建后健侧特征测点σRS与正常骨盆σNS近似(t=1.81,P=0.08).患侧髂骨截骨处内侧皮质σRR与σNR差异无统计学意义(t=0.47,P=0.65),外侧皮质σRR明显高于σNR(t=2.78,P=0.02).(3)假体应力传导结构主要由后侧传导.应力集中部位位于下排钉孔周围、髂骨固定座与侧面固定翼片连接处、人工髋臼与髂骨固定连接处,系统应力峰值(183 MPa)位于人工髋臼与髂骨固定座连接部位.结论 组配式人工半骨盆假体重建符合骨盆生物力学特点,较好地恢复了应力传导.     

人体步态质量主元量化评定方法的研究

人体步态功能的评定在临床医学、康复工程等领域中有着重要作用。本文提出了一种步态质量的主元量化评定方法。评定步骤为,将步态检测得到的原始数据分类形成指标体系,按照主元分析方法将指标进行归一化量化处理、计算,提出综合评定指标,然后用公式和图表方式表达步态功能的量化评定结果。实例研究表明主元量化评定方法能有效评价步态治疗的恢复情况。     

自然步态摆动期动力学协调模式的研究

建立了包含肌肉一肌腱动力特性和神经兴奋一肌肉收缩动力学方程在内的人体下肢生物力学模型，并针对自然步态摆动期的运动过程，采用最优控制方法进行了计算分析。计算结果与实验测量结果在运动学、肌电信号和肌肉活性参数等方面均具有很好的一致性；同时利用模型分析了肌肉协调运动模式，结果表明在自然步态摆动期运动过程中，神经系统将肌肉结成不同的协同肌群，并按照特定的时序结构控制不同肌群实现步行运动的加速、制动和姿态控制。