体育运动中膝关节力的机器学习评估方法研究

膝关节力(knee joint forces,KJF)是用于推断膝关节结构所受载荷的生物力学指标,利用可穿戴传感器获得的数据,可估计运动过程中的KJF.在14名参与者的右腿上安装两个惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU),并按要求执行各种运动动作,包括直线、变向和跳跃运动,采用生物力学模拟方法确定KJF,用训练神经网络对IMU信号和KJF时间序列之间的关联进行建模.神经网络预测的垂直KJF的相关系数为0.61~0.93,前后KJF的相关系数为0.63~0.91,内外侧KJF的相关系数为0.26~0.61.中度跑垂直KJF的相关性最高(0.93±0.32).垂直KJF值和前后KJF值表明,在大多数运动中,人工神经网络(artificial neural network,ANN)的预测结果与KJF参考值之间具有良好的一致性.

鞍座高度对骑行时髌股关节力学特征影响的研究

目的:探讨不同鞍座高度对稳定骑行状态下髌股关节载荷的影响,为科学健身骑行提供理论参考。方法:20名受试者以随机的顺序完成(中等高度座高,Medium;自选高度座高,Preferred;较低高度座高,Low;较高高度座高,High)4种鞍座高度下的骑行,采用三维红外动作捕捉系统(200 Hz)、三维脚蹬测力台(1 000 Hz)同步采集受试者骑行状态下的右侧下肢髋、膝、踝关节运动学、踏板反作用力数据;使用三维分析软件(Visual 3D)、Matlab软件计算、分析连续10个踩踏周期的运动学、动力学指标。结果:采用较低的鞍座高度骑行时具有较大的股四头肌峰值肌力(P<0.05)、髌股关节峰值力(P<0.05),与较高的鞍座骑行相比具有较大的髌股关节峰值应力(P<0.05),同时髌股关节峰值力出现时膝关节屈曲角度更大(P<0.05);鞍座高度并没有影响髌股关节峰值应力出现时的膝关节角度(P>0.05)。结论:较低的鞍座高度骑行时,具有较大的股四头肌峰值肌力、髌股关节峰值力及髌股关节峰值应力,同时髌股关节峰值力出现时具有较大的膝关节角度。因此,从预防股髌关节疼痛综合症的观点出发,骑行时需对鞍座高度进行适当的调整,不建议采用较低的鞍座高度骑行。

正骨松筋疗法结合筋氏葆熏洗对老年重度骨性关节炎患者膝关节功能及关节力线的影响

目的:探讨正骨松筋疗法结合筋氏葆熏洗对老年重度骨性关节炎患者膝关节功能及关节力线的影响。方法:2015年6月—2017年11月选择本院老年重度骨性关节炎患者78例,随机分为2组,对照组和观察组各39例,对照组采用常规推拿治疗;观察组采用正骨松筋疗法结合筋氏葆熏洗治疗,持续治疗3周为1个疗程,共3个疗程。比较两组间临床疗效、Lysholm评分、视觉模拟量表评分(Visual analogue scale,VAS)及胫骨-股骨机械轴夹角(The angle of the shaft of the tibia and femur,MFTA)、股骨远端外侧角(Lateral angle of distal femur,LDFA)、胫骨近端内侧角(Medial angle of proximal tibia,MPTA)水平,进行随访记录不良反应状况。结果:对照组有效率79.49%低于观察组有效率94.87%,差异具有统计学意义(P<0.05)。治疗后对照组和观察组Lysholm评分分别为(78.14±8.15)(85.62±7.64),VAS评分分别为(1.74±1.03)(0.85±0.61),MFTA分别为(3.34±1.31)(1.68±1.05),LDFA分别为(2.67±1.10)(1.89±1.01),MPTA分别为(3.24±1.45)(1.96±1.26),对照组和观察组上述指标比较,差异具有统计学意义(P<0.05)。两组患者治疗期间无不良反应出现。结论:正骨松筋疗法结合筋氏葆熏洗对老年重度骨性关节炎患者的疗效确切,改善膝关节功能,调节关节力线,且患者可以耐受,值得推广。

基于关节力传感器的并联六自由度机构标定方法

提出了一种基于关节力传感器的并联六自由度机构结构参数标定方法。从力学角度出发,通过测量并联六自由度机构各关节驱动力,利用并联六自由度机构自身的运动学和动力学模型构造相应的辨识模型,实现其结构参数的标定。通过标定仿真验证了该方法的实用性和有效性。

基于ADAMS人体下肢建模关节力的计算——兼与测力台比较

目的:人体多刚体系统动力学的核心问题是人体运动的建模和求解,目前在利用动力学方法建立方程时,经常出现理论分析的结论与实验测试结果相差甚远的问题。通过对仿真计算结果与试验中测得的GRF(地面支撑力)与Ariel软件解析计算出膝关节胫骨平台力的结果进行比较验证,以期探讨人体多环节肌肉力和关节力的简便获取方法及应用优势。方法:高速摄像和三维解析方法,对1个步态周期完整动作与三维测力台同步采集,获得运动学参数和GRF,利用ADAMS三维软件建模对人体下肢运动进行运动仿真,依据运动学测试参数计算出下肢关节的动力学数据,并将仿真结果与试验中测得的GRF、膝关节胫骨平台力进行比较验证。结果:ADAMS计算的仿真力与三维测力台测得的力相关性(P<0.01)达到非常显著的水平,ADAMS仿真计算的3个方向力值95%置信区间与三维测力台力值置信区间几乎一致;Ariel三维解析计算右膝关节力曲线没有表现出膝关节胫骨平台力曲线的特点,曲线不光滑。结论:基于ADAMS进行运动仿真可有效解决求解复杂的多刚体系统动力学参数的精度问题;ADAMS仿真模拟日常行为活动,基于人机功效学的产品优化设计,全膝关节置换仿真研究,各种碰撞研究具有极大优势。

关节镜下微创治疗膝关节炎的疗效及对关节力线的影响

在膝关节炎疾病临床诊疗环节中实施关节镜下微创疗法,研究分析其对病患关节力线的积极影响。方法 选择承德市中心医院骨科二病区治疗的膝关节炎疾病患者(样本纳入例数为120例),将其划分为对照组、观察组两个对照小组,各60例,依次采取常规疗法、关节镜下微创疗法,研究分析其临床治疗效果以及对关机力线的影响。结果 观察组临床治疗总有效率、治疗后膝关节主动屈曲度均高于对照组(P<0.05);且治疗干预后关节力线评分、主动伸直度以及WAMAC分数均处于较低水平中(P<0.05)。结论 针对膝关节炎病患采取关节镜下微创治疗手段,对调整与有关膝关节屈曲度、伸直度及关节力线,提高临床治疗效果,值得推荐。

中老年女性踝关节力量与平衡能力的相关性

目的:以健康中老年女性为观察对象,探讨踝关节肌力随年龄的变化特征及其与静态平衡能力的相关关系。方法:实验于2005-03/05在上海体育学院体质测试中心完成测试。选择上海杨浦区150名身体健康且体型正常女性,按年龄分为3组:40～49岁组、50～59岁组、60～69岁组,每组50名。所有受试者在国家体育总局体育科学研究所提供的Bestpoise V1.0人体平衡能力测试系统上进行一次性平衡能力的测试;在瑞士CONTREX公司提供的Contrex肌力测试系统上进行踝关节60(°)/s的等速肌力测试。观察女性踝关节肌力的年龄变化特征、平衡能力的年龄变化特征及二者的相关性。结果:150名受试者均进入结果分析。①受试者的踝关节屈肌最大力矩、屈肌最大功率与年龄呈负相关(r=-0.449,-0.451,P=0.002),且在0.01水平上相关具有高度显著性。②伸肌最大力矩/屈肌最大力矩与年龄呈正相关(r=0.516,P=0.00),且在0.01水平上相关具有高度显著性。③屈肌最大力矩、屈肌最大功率、伸肌最大力矩/屈肌最大力矩与双脚睁眼平衡能力没有显著相关性(P=0.186,0.354,0.117)。结论:①中老年女性的踝关节伸、屈肌力量的衰退有其部位和年龄特点,且在程度上也表现出不一致性;50～59岁是女性踝关节力量开始快速衰退的时期。②中老年女性踝关节伸肌和屈肌力量的衰退在60～69岁期间出现了明显的不平衡,屈肌快于伸肌。③对于40～69岁的女性来说,踝关节肌力不是影响静态平衡能力的主要因素。

羽毛球蹬跨步膝关节力学特征研究

羽毛球蹬跨步法是较为常见的步法,由于动作速度快、冲击力大很容易导致膝关节运动损伤。通过测试法、仿真分析法、数理统计法等研究方法,采用Coda motion三维捕捉系统与ATMI三维测力台同步采集羽毛球蹬跨步法运动学与动力学参数,将运动学与动力学数据导入Anybody仿真分析软件分析膝关节受力特征,阐述不同运动速度情况下膝关节力的特征,使羽毛球运动员和爱好者能够清晰地了解此步法膝关节部位的力学特征,提高羽毛球运动技术水平,同时避免损伤。

佩戴膝关节护具对羽毛球运动员蹬跨步动作时髌股关节力学特征的影响

目的 探究佩戴2种膝关节护具对羽毛球运动员完成蹬跨步动作时髌股关节载荷的影响。方法 选取12名羽毛球高水平运动员佩戴无护具、佩戴髌骨带和佩戴护膝模拟,正手蹬跨步、正手被动蹬跨步动作,使用4块Kistler三维测力台、8台Qualisys红外高速摄像头同步采集受试者右侧下肢动力学与运动学数据,以对比佩戴膝关节护具前后跨步足落地阶段股髌关节力、关节应力、关节力矩和关节角度等参数。结果 与无膝关节护具相比,佩戴护膝能够显著减少正手蹬跨步、正手被动蹬跨步动作落地阶段的膝关节峰值屈曲角度(p<0.05)、显著减少膝关节峰值伸膝力矩(p<0.05)、显著减少髌股关节峰值力(p<0.05)、显著减少髌股关节峰值应力(p<0.05)。结论羽毛球运动员佩戴护膝完成蹬跨步动作时,均有较低的股髌关节峰值应力、股髌关节峰值力及股四头肌峰值力,同时发现佩戴护膝可以缓冲膝关节压力,对髌骨以及膝关节韧带等组织起到保护作用。鉴于此,运动员佩戴护膝能够减少膝关节疼痛、提高膝关节稳定性、降低运动损伤风险,以预防股髌关节疼痛综合症。

改良双钢板内固定对防止骨折再移位及膝关节力线改变的意义探讨

随着城市交通的迅猛发展和工业化进程的加快,意外伤害事故日益增加,对于各种创伤的治疗成为临床的巨大挑战。胫骨平台骨折由于常累及关节,手术复位后极易产生骨折再移位及膝关节力线改变,一直是创伤骨科的一大难题。本文通过对改良双钢板内固定法进行分析,进而探讨其在防止骨折再移位及膝关节力线改变中的意义。

Anybody仿真太极不同步法时股骨及下肢骨主要关节的应力特征

背景:Anybody骨肌建模系统,使用数学建模技术模拟人体骨骼、肌肉和环境的关系,可对人体的逆向动力学进行研究,得出下肢关节力等指标。目的:分析练习太极拳动作时下肢骨主要关节的应力分布规律,为其科学训练和锻炼价值提供依据。方法:在北京体育大学武术学院选取8名太极拳健将级运动员进行7组步法动作和右腿股骨CT的数据采集。使用BTS红外捕捉系统、Kistler三维测力台采集太极(八法五步)7组步法动作的运动和力学数据,利用Anybody 7.2骨肌模型的多体动力学仿真技术计算下肢关节动力学参数,结合Workbench 19.2对股骨进行应力计算分析。结果与结论:①利用Workbench软件分析得出了7组步法动作的股骨应力结果,7组动作的应力峰值由大至小顺序是:退步捋势(22.00 MPa)、退步採势(19.379 MPa)、左右移步挤按(9.35 MPa)、左右移步肘靠(6.30 MPa)、进步掤势(4.68 MPa)、进步挒势(2.57 MPa)、中定独立势(0.31 MPa)。②在7组步法动作中2种向后退步动作股骨应力最大(P<0.05),且在7组动作运动过程中的股骨最大应力位置均不同。③上述结果证实,在太极(八法五步)7种步法动作练习时,股骨应力阈值和最大应力位置会随着5种方向(7组动作)运动不同而变化,通过连续训练能够全面地刺激股骨体,进步动作对于股骨体正面和外侧上端影响较大,退步动作对股骨体后面和内侧影响较大,左右横向步法动作主要是股骨体两侧对称受力。④初学者要根据不同步法动作的受力特点来进行针对训练,进步动作和退步动作训练时要注重太极拳的旋转用力以及左右横移步法动作训练时的内侧对抗用力,根据自身薄弱问题,对太极拳训练步法有所侧重,进而达到更好的锻炼效果。

不同拉伸方式对健康人膝关节肌肉力量及垂直纵跳表现的即刻影响

背景:静态拉伸可有效改善关节运动幅度,而动态拉伸通过肌肉的激活后增强效应,有效提高肌肉力量及运动表现。目的:探讨不同类型的拉伸方式对膝关节肌肉力量及垂直纵跳表现产生的即刻影响,为寻求最佳拉伸方案、提高运动表现、预防训练损伤提供理论支撑。方法:随机招募30名健康大学生,采用Biodex等速肌力测试仪、Qualisys红外动作捕捉系统及AMTI三维测力台分别采集股四头肌/腘绳肌静态拉伸、股四头肌/腘绳肌动态拉伸、股四头肌动态/腘绳肌静态拉伸、股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸后的膝关节肌肉力量及垂直纵跳数据,利用膝关节峰值力矩、平均功率、纵跳高度、垂直地面反作用力峰值及关节运动幅度评估膝关节肌肉力量及垂直纵跳表现。结果与结论:(1)与股四头肌/腘绳肌静态拉伸相比,股四头肌/腘绳肌动态拉伸可显著提高膝关节峰值力矩、平均功率及纵跳高度(P<0.05),股四头肌动态/腘绳肌静态拉伸和股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸分别提高伸膝和屈膝峰值力矩和平均功率(P<0.05);(2)与股四头肌/腘绳肌静态拉伸相比,股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸后的第二垂直地面反作用力峰值显著下降(P<0.05);股四头肌/腘绳肌动态拉伸后的下肢关节运动幅度显著增加(P<0.05);(3)提示即刻的原动肌/拮抗肌动态拉伸和原动肌动态/拮抗肌静态拉伸可显著提高膝关节肌肉力量、垂直纵跳表现及关节运动幅度;较大的运动幅度有利于提高运动表现,并在着地时更好地吸收地面冲击力;同时,原动肌动态/拮抗肌静态拉伸对膝关节肌肉力量的提升效果优于原动肌/拮抗肌动态拉伸,原动肌静态拉伸/拮抗肌动态拉伸有利于提高垂直纵跳落地时的能量吸收能力,降低落地时损伤的风险。

负重深蹲下肢关节力量基准值的建立与分析

运用牛顿动力学理论构建负重深蹲动作下肢运动的动力学方程,运用高速摄像-影像解析方法获取运动学参数,在此基础上计算髋、膝、踝关节伸肌力量及关节受力,建立负重深蹲下肢关节力量基准值。研究认为:1)构建的简化方程能够计算出负重深蹲下肢关节力量的基准值;2)髋、膝、踝关节的伸肌拉力随膝关节角度增大而逐渐减小,当膝关节角度<130°时,股四头肌拉力最大;3)髋、膝、踝关节的受力也随膝关节角度增大而逐渐减小,其中膝关节受力最大,受伤风险可能最大。

基于Azure Kinect运动捕捉的下肢关节力学和地面反作用力分析

传统的步态分析系统往往操作复杂、便携性差且设备成本高。本研究拟基于Azure Kinect深度视频数据,结合足地接触模型,建立基于Azure Kinect运动捕捉系统的下肢肌骨动力学分析流程。实验采集了10名受试者的深度视频数据,通过预处理获取骨架结构,以此作为肌骨模型输入,计算得到下肢关节角度、关节接触力和地面反作用力,并将其计算结果与传统的Vicon系统获取的运动学和动力学数据进行对比。所计算的下肢关节力和地面反作用力除以每位受试者体重,进行归一化处理。下肢关节角度曲线与Vicon得到的结果强相关(ρ平均值为0.78~0.92),但均方根误差高达5.66°。在下肢关节力预测方面,Azure Kinect模型均方根误差平均值范围为0.44~0.68,而地面反作用力均方根误差平均值范围为0.01~0.09。研究表明,所建立的基于Azure Kinect的肌骨动力学模型能较好地预测下肢关节力和垂直地面反作用力,但在下肢关节角度预测方面还存在一定误差。

关于关节镜下微创治疗膝关节炎的疗效及对关节力线的影响分析

分析关节镜下微创治疗膝关节炎的疗效及对关节力线的影响。方法此次研究开始时间为2019年10月,结束时间为2023年8月,总计纳入39例膝关节炎患者,根据随机抽签方式,分为对照组19例和观察组20例,治疗方法分别为常规治疗和关节镜下微创治疗,对照两组疗效。结果 观察组各项客观因子指标在治疗后的变化幅度都比对照组更大,P<0.05;该组临床总疗效更高,P<0.05。结论 应用关节镜下微创治疗膝关节炎,具有较高的临床疗效,患者关节力线改善效果更高,值得普及。

外翻膝全膝关节置换术后膝-踝关节力线评估

目的本研究的目的是评估膝关节外翻畸形导致踝关节力线异常,以及膝、踝关节力线参数之间相关性,研究全膝关节置换术后膝-踝关节力线改变和参数之间相关性。方法本研究共包括44例全膝关节置换的外翻型膝关节骨性关节炎,站立位下肢全长前后位片测量膝关节力线参数:髋-膝-踝关节角(HKA)、股骨-胫骨角(TFA)、股骨外翻角(FVA)、股骨角(FA)、胫骨角(TA)、膝关节倾斜角(AK);和踝关节参数:胫骨远端关节面角(DTAA)、距骨倾斜角(TTA)、踝关节倾斜角(TAA)。采用双侧检验配对t检验比较膝关节、踝关节手术前、后参数和术后参数变化统计学差异。采用散点图和双侧检验Pearson相关性检验评估膝关节、踝关节参数手术前、后、及手术后参数变化的相关性。结果结果显示膝关节外翻畸形,踝关节出现代偿性内翻。TKA后随着膝关节力线的纠正,各参数显著改善,同时踝关节力学参数发生相一致的改善。踝关节的力线参数改善与膝关节力线参数改变存在中低度相关性(P<0.01)。结论踝关节力学参数与膝关节力学参数存在相关性,全膝关节置换在改变膝关节力线的同时,可以改善踝关节力线,故需要在TKA中尽可能获得3°以内外翻或内翻的膝关节力线,从而尽可能改善踝关节力线,保护踝关节,降低踝关节OA发生。

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。

等速离心肌力训练对男性青年前交叉韧带重建术后恢复期患者膝关节屈伸肌群肌力、功能和姿势控制的影响

目的探讨等速离心肌力训练对男性青年前交叉韧带(ACL)重建术后恢复期患者膝关节屈伸肌群肌力、功能和姿势控制的影响。方法选取2021-07—2023-07郑州市骨科医院收治的95例男性青年ACL重建术后恢复期患者,依照术后肌力训练干预模式分为向心组(47例)和离心组(48例)。干预前后应用视觉模拟评分法(VAS)评分、Lysholm评分、950-441动态平衡测试仪闭眼泡沫平面重心摆动速度等评估2组患者的疼痛肿胀程度和膝关节屈伸肌群肌力、功能和姿势控制等指标改善情况。结果干预前2组患者的VAS评分、患肢肿胀程度和屈膝、伸膝峰力矩值水平,以及Lysholm评分和姿势控制情况的差异均无统计学意义(P>0.05)。干预8周后2组患者的上述指标均较干预前显著改善,且离心组患者的改善程度优于向心组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论等速离心肌力训练可调控男性青年ACL重建术后恢复期患者的膝关节功能和姿势控制,改善肿胀疼痛程度,调节膝关节屈伸肌群肌力,提高膝关节功能早期康复。

12周跑姿再训练对髌股关节受力特征影响的研究

目的:探讨12周跑姿再训练对于转变跑步姿态的作用及跑姿转换对膝关节矢状面力矩、角度、髌股关节力及应力的影响。方法:训练前招募30名男性业余跑者分为对照组(n=15)和实验组(n=15),经过12周跑姿再训练后纳入17名男性业余跑者(实验组9人,对照组8人)。使用Kistler三维测力台(1000 Hz)与Vicon(100 Hz)运动捕捉系统同步采集受试者以12 km/h(±5%)跑速下优势腿的运动学、动力学数据,并基于关节力计算模型和接触面积回归方程对髌股关节的受力特征进行计算。采用重复测量双因素方差分析比较训练前后两组(组别×时间)的膝关节屈曲角度、伸膝力矩、髌股关节力、髌股关节应力。结果:12周的跑姿再训练后,对照组的伸膝力矩峰值、最大屈膝角度、髌股关节力峰值、应力峰值与训练前相比无统计学差异;实验组中9名后跟跑姿跑者中有7人转变为前掌跑姿(约78%)且在相同跑速下伸膝力矩峰值降低了13.8%(P=0.017)同时髌股关节应力峰值降低13.3%(P=0.018)。结论:仅使用极简鞋进行训练不能显著改变跑步过程髌股关节力及应力,但12周跑姿再训练结合极简鞋能有效减少髌股关节的负荷,进而为减少由跑步引起髌股关节疼痛综合征的发生率提供可能。