生物力学测量系统测量软骨损伤后滑膜关节的摩擦性能

背景:骨性关节炎会导致关节摩擦因数及性能的改变,目前尚没有一种方法能够全面客观的评价及测量关节的摩擦性能。目的:应用生物力学测量系统观察不同压力条件下关节摩擦性能的变化,及软骨缺损出现时关节摩擦因数的变化。方法:将羊腕关节固定在生物力学测量系统上,以垂直关节面方向给关节施加100,200,400,800N的压力,左右5°旋转关节测出平均旋转扭矩及关节摩擦因数。然后在关节面上制作面积为16mm2的软骨缺损区,测试在100,200,400,800N压力下的平均扭矩及关节摩擦因数。结果与结论:当无软骨缺损时,羊腕关节在4种压力状态下的旋转扭矩大小分别为:0.0217,0.0317,0.0630,0.1450Nm,关节摩擦因数(μ)分别为:0.0067,0.0073,0.0120和0.0145;而在软骨缺损时,4种压力状态下的旋转扭矩大小分别为:0.0270,0.0417,0.0806,0.1724Nm,关节摩擦因数(μ)分别为:0.0086,0.0097,0.0137和0.0164。可见,随着压力的增加,旋转扭矩和关节摩擦因数逐渐增大(P<0.05),且关节软骨缺损会导致关节旋转扭矩和关节摩擦因数的增大(P<0.05)。同时关节旋转扭矩与关节摩擦因数明显正相关。

髌骨骨折植入物内固定评价:动力和静力加压的生物力学特点(英文)

背景:骨折块间的静力加压作用由内固定本身(如张力带钢丝和螺钉)产生,而动力加压作用在关节屈曲时产生。髌骨横行骨折张力带固定方法的力学强度和稳定性方面优势明显,但尚缺乏对这些内固定方法的静力和动力加压作用的量化对比研究。目的:观察目前4种髌骨骨折内固定方法的动力和静力加压作用的强度变化及其临床意义。方法:选择新鲜牛髌骨制作相同横行骨折模型,随机分成4组,钢丝组用改良张力带钢丝固定技术固定,钢缆组用改良张力带钢缆固定技术固定,螺钉组用单纯加压螺钉内固定技术固定,空心螺钉组采用空心螺钉+张力带钢丝联合固定。进行骨折固定前,于骨折块间放置富士压力敏感膜,用以测量内固定后骨折块间的压力,即静力和动力加压强度。每组骨折固定模型再分别进行以下两种力学测试:1固定完成后即拆除内固定,取出压力敏感膜。2完成内固定后,使用材料试验机,对样本进行3点弯曲试验(5 000 N载荷),模拟膝关节弯曲时产生的骨折块间动力加压作用,而后取出压力敏感膜。使用prescale FPD-8010E压力分布图系统软件对每个取出的压力敏感膜进行测量,获得骨断端间的平均压力,并进行统计学分析,比较各组骨断端间的静力和动力加压强度。结果与结论:钢丝组骨折块间的平均静力加压强度显著低于钢缆组、螺钉组和空心螺钉组(P<0.05)。5 000 N载荷下动力加压后,钢丝组与钢缆组、螺钉组和空心螺钉组相比较具有相似的骨断端间压力强度(P>0.05)。钢丝组的动力加压强度高于其静力加压强度(P<0.05)。结果证实,比起改良张力带钢丝固定技术,使用钢缆或螺钉可以更显著的增加骨断端的静力加压强度,但同时也削弱了骨断端的动力加压作用。

有限元分析不同屈曲状态下胫-股关节的生物力学变化

背景:三维有限元模型有助于人们对膝关节损伤机制和力学特性的分析,但动态模拟膝关节运动的研究较少。目的:建立正常的男性膝关节三维有限元模型,动态模拟膝关节运动并析膝关节在不同屈曲状态下受力后,胫-股关节的力学特性和相对运动,为膝关节生物力学的研究提供有三维限元模型,并为膝关节的个性化假体设计和3D打印提供指导。方法:对1名健康男性的膝关节进行CT扫描,然后通过Mimics,Hypermesh和Abaqus等软件,构建正常的膝关节三维有限元模型。并对其施加不同载荷进行仿真及应力分析。结果与结论:(1)实验构建的膝关节有限元模型,能够准确地体现膝关节的几何结构和生物力学特性,可模拟膝关节的多种运动,并有效进行膝关节生物力学的研究;(2)模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,外翻的角度范围为3.34°-6.13°;内旋角度范围为1.56°-29.17°;股骨相对胫骨有明显的后移,其范围是4.36-7.23 mm;(3)股骨软骨、胫骨软骨和半月板在0°的最大接触应力分别为1.45,1.03和2.59 MPa;而60°的最大接触应力分别为6.41,6.73和8.65MPa;(4)上述数据说明,在模拟膝关节屈曲0°-60°过程中,膝关节外翻的角度范围较小,相对稳定;而膝关节内旋角度范围相对较大。股骨软骨和胫骨软骨的接触应力随着屈曲角度的增大而逐渐增大;内、外侧半月板的接触应力变化不同,内侧半月板的接触应力变化较大,相反外侧半月板的接触应力相对平稳,变化较小,且内侧半月板的接触应力大于外侧半月板的接触应力。

一种镁合金可吸收肋骨髓内钉的生物力学性能

背景:目前,临床上已成功应用于肋骨骨折内固定的手术材料主要有纯钛、镍钛记忆合金肋骨环抱接骨板和进口聚左旋乳酸可吸收肋骨髓内钉、解剖钢板等。目的:探讨新研制的镁合金可吸收肋骨髓内钉在肋骨骨折内固定中的生物力学性能,并与进口的聚左旋乳酸可吸收肋骨髓内钉内固定方法进行比较,为临床应用提供科学依据。方法:采集30根成人新鲜第5肋骨侧肋标本,行侧肋腋中线处肋骨骨折模型,分别采用AZ31B镁合金可吸收肋骨髓内钉(镁合金组),聚左旋乳酸可吸收肋骨髓内钉(聚左旋乳酸组)2种内固定方法固定,另设正常肋骨标本以作对照,运用实验应力分析手段测试各组试件的生物力学特性。结果与结论:三点弯曲强度测量结果显示,镁合金组接近正常标本(P>0.05),且镁合金组与聚左旋乳酸组差异有显著性意义(P<0.05)。扭转强度测量表明,镁合金与正常标本差异无显著性意义,比聚左旋乳酸固定更有优越(P<0.05)。拉伸实验表明,镁合金固定抗拉强度及抗拔力均优于聚左旋乳酸内固定(P<0.05)。说明镁合金可吸收肋骨髓内钉在强度和抗拉伸强度上均明显优于聚左旋乳酸可吸收肋骨髓内钉内固定,是肋骨内固定的理想固定材料。

新型儿童股骨颈螺钉设计中的生物力学因素

背景:由于骺板在股骨的生长发育过程中有重要的作用,内固定的设计要求尽量避免对骺板的损伤,因此对儿童股骨骺板的定位显得尤其重要。目的:探讨新型儿童股骨颈螺钉固定儿童股骨颈骨折的生物力学性能。方法:由南华大学解剖室提供的6具儿童尸体上取下股骨12根,X射线排除骨病后,分别采用3枚新型儿童股骨颈螺钉固定;3枚2.0 mm克氏针固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度。结果与结论:轴向压缩刚度及最大3 N·m的扭转力矩下扭转刚度,儿童股骨颈螺钉分别为(190.74±20.88)N/mm、(0.18±0.045)N·m/(°),克氏针为(138.95±15.19)N/mm、(0.120±0.036)N·m/(°),两者比较差异均有显著性意义(P<0.05);显示儿童股骨颈螺钉的抗压能力和抗扭能力上明显强于克氏针。实验说明儿童股骨颈螺钉是一种符合儿童股骨近端解剖学特点,能够满足儿童股骨颈骨折需要的新型内固定器械,具有良好的生物力学性能。

不同内固定物治疗胫骨平台后内侧骨折的生物力学分析

背景:胫骨平台后内侧骨折的治疗较困难,容易出现因骨折固定方式选择不当导致骨折再次移位、骨不连、内固定失效及关节功能活动障碍等并发症。目的:分析3种胫骨平台后内侧骨折不同固定方法的生物力学效果。方法:27具新鲜骨标本,制成胫骨平台后内侧骨折模型,分别制成正常组,双钢板固定组,T形钢板固定组,拉力螺钉固定组。对以上3组进行压力、载荷-位移、应力强度、刚度和旋转性能测试。结果与结论:双钢板固定组载荷-位移显著小于T型钢板固定组和拉力螺钉固定组,双钢板固定组轴向刚度、水平剪切刚度及转矩扭角变化,均显著大于T型钢板固定组和拉力螺钉固定组。提示胫骨平台后内侧骨折双钢板固定较其他2种方法更具有生物力学上的稳定性。

胸椎钉棒系统置入方式的生物力学特征

背景:有研究表明胸椎骨折椎弓根螺钉的置入方式、进针点、角度、长度已经有统一定论,单个螺钉的轴向拔出力及生物力学行为报道也很多,但关于3种螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为研究较少。目的:通过生物力学测试来进一步观察并比较3种胸椎螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为,从而了解胸椎置钉并连接钉棒后的强度,及其拔出后对胸椎置钉周围骨质的应力影响。方法:实验将新鲜冰冻胸椎标本随机分3组,经椎弓根固定组,经横突-椎体固定组,经改良肋横突法固定组,每组照标准胸椎置钉法分别置入胸椎钉棒系统,在力学仪器上测试,动态曲线描述拔出过程中钉棒系统及胸椎置钉周围骨质所承受力量,并进行统计学分析,比较3种置钉方法在胸椎上把持力的差异性。结果与结论:3种伤椎置钉方式中,经椎弓根固定组拔持力明显大于经横突-椎体法及经改良肋横突法组的把持力(P<0.01),经横突-椎体法及经改良肋横突法组的把持力差异无显著性意义。结果证实,经椎弓根固定法固定节段的胸椎置钉周围骨质所承受力稳定性明显优于经横突-椎体法及经改良肋横突法组。

股骨假体旋转角对全膝关节置换后膝关节功能恢复影响的3年随访

背景:股骨假体旋转不良可造成屈曲间隙不平衡和髌骨轨迹不良,从而影响膝关节功能的恢复。目的:观察全膝关节置换股骨假体旋转角对患者膝关节评分的影响。方法:选取2010年1月至2014年1月在江苏镇江市第一人民医院关节外科行初次全膝关节置换的患者146例(186膝)。置换后进行CT扫描检查并测量股骨髁扭转角评价股骨假体旋转位置,根据股骨髁扭转角分为3组,正常组74例(外旋3°-内旋3°),内旋组15例(内旋>3°),外旋组58例(外旋>3°),置换后随访3年。结果与结论:①膝关节美国膝关节协会评分:正常组活动功能评分明显高于内旋组和外旋组,外旋组活动功能评分高于内旋组(P<0.05);在活动功能评分中3组的标准活动评分、自由活动评分及高级活动评分中,正常组明显高于内旋组和外旋组,外旋组高于内旋组(P<0.05);但3组的站立与行走评分、满意度评分和期望评分比较差异无显著性意义;②结果证实:股骨假体旋转角影响全膝关节置换后远期膝关节功能恢复,因此应注意避免置换中股骨假体旋转不良。

膝内外翻畸形时髋臼负重顶区的生物力学变化

背景:膝内、外翻畸形改变了膝关节的形态,除影响膝关节的功能外,还可能改变相邻关节髋关节的生物力学行为,也就是髋臼与股骨头之间的力学传导。目的:评价不同程度膝内、外翻畸形对髋臼负重顶区的生物力学影响。方法:取成年男性鲜尸体下肢标本3个,剔除附着的肌肉组织,保留骨膜、韧带及关节囊,通过胫骨高位截骨模拟不同程度的膝内外翻畸形。标本分为中立位组、膝内翻10°组、膝内翻20°组、膝外翻10°组和膝外翻20°组。实验中骨盆的位置选择单足站立中立位。标本通过生物力学试验机加载至50kg,采用压敏片技术测量髋臼顶负重区的负重面积、平均应力及峰值应力。结果与结论:髋臼顶区中立位时股胫关节面负重面积为(6.33±0.12)cm2,平均应力(3.62±0.33)MPa,峰值应力为(4.58±0.20)MPa。当膝内、外翻达10°时,髋臼顶区负重面积减少,平均应力及峰值应力有明显的增加,但差异无显著性意义(P>0.05);当膝内、外翻达20°时髋臼负重面积显著减少,平均应力峰值及应力显著增加,差异有非常显著性意义(P<0.01)。结果提示:随膝内、外翻畸形程度的不同,髋臼负重顶区的负重面积、峰值应力及平均应力也发生变化,当膝内、外翻达20°时,负重面积显著减少,平均应力峰值及应力显著增加,这可能是膝内外翻畸形造成髋骨关节炎的病因之一。因此临床上应重视对膝骨关节炎内、外翻畸形患者的早期干预。

机械应力相关基因在骨关节炎软骨下骨的表达

背景:机械应力改变是骨关节炎发生发展的关键因素。目的:观察机械应力相关基因在关节不稳所致的骨关节炎大鼠模型中软骨下骨的表达情况,为阐述机械应力因素在骨关节炎发病中的重要作用提供依据。方法:将SD大鼠分为实验组和对照组,每组30只。实验组行右膝内侧半月板及内侧副韧带切除术,对照组仅切开关节囊。分别于术后1,2,4周取右膝关节标本,提取软骨下骨的RNA,并采用全基因表达谱芯片技术研究软骨下骨全基因表达,根据现有文献报道,探索机械应力相关基因在该大鼠模型软骨下骨中的表达情况,并通过qRT-PCR对结果进行验证。结果与结论:发现3个重要的与机械应力相关的差异表达基因:Postn,Ihh,Bmp5,并由qRT-PCR得到验证:实验组中,Postn在术后第1周显著高表达,与对照组比较差异有显著性意义(P<0.05),术后第2周也出现高表达的趋势,但与对照组比较差异无显著性意义(P>0.05)。Bmp5也在术后第1周显著高表达,与对照组比较差异有显著性意义(P<0.05),第2周及第4周也有高表达的趋势,但与对照组比较差异无显著性意义(P>0.05)。Ihh在术后第1周及第2周同时出现高表达,与对照组比较差异有显著性意义(P<0.05)。结果可见机械应力因素是骨关节炎发病的重要因素,深入研究与其相关的基因或其通路,可能为揭示骨关节炎发病机制提供更多的依据,从而发现早期诊断及早期治疗的靶点。

个体化设计一期关节置换治疗膝骨关节炎合并同侧股骨关节外畸形

背景:全膝关节置换治疗膝关节骨性关节炎合并关节外畸形目前仍面临挑战,为获得良好的力线及恢复恰当的软组织平衡,需制定个体化的置换方案。目的:观察个体化设计一期关节置换治疗膝骨关节炎合并同侧股骨关节外畸形安全及可行性。方法:纳入膝骨关节炎合并同侧股骨关节外畸形患者8例,根据置换前计划,5例患者进行关节内代偿截骨治疗,3例患者行关节外矫正截骨,记录肢体多平面畸形和软组织条件。主要评估指标包括HSS评分,WOMAC评分和力线偏差。结果与结论:平均随访29个月,患者HSS评分从置换前32.5分提高至置换后87.5分,WOMAC从置换前的37.1分提高到置换后88.8分(P<0.05)。力线偏差(无论是内翻或外翻)由置换前的17.1°变到置换后1.4°(P<0.05)。所有患者关节外矫正截骨的病理3个月内截骨端愈合,无置换后感染,假体松动或静脉血栓栓塞事件发生,仅1例患者残留5°膝过伸。结果证实,依据个体化的置换前计划,一期全膝关节置换治疗膝关节骨性关节炎合并同侧股骨关节外畸形安全有效。

不同方法修复踝关节外侧副韧带慢性损伤的稳定性评价

背景:以往有多种修复和重建方式来恢复踝关节外侧稳定性,但这些术式均存在一些缺陷。目的:比较改良Karlsson法与改良Brostrm法修复慢性踝关节外侧不稳的力学变化。方法:73例慢性踝关节外侧不稳患者,其中43例患者接受了改良Brostrm手术,30例患者接受了改良Karlsson手术,平均随访(50.8±26.5)个月和(49.5±11.1)个月,记录软骨损伤的情况,治疗前和治疗后随访进行AOFAS评分、Mazur评分、Tegner评分、客观检查(前抽屉试验和内翻应力试验)、满意度评分和调查再伤情况。结果与结论:所有患者中38.4%合并软骨损伤,40.5%发生在距胫关节前内侧关节面(距骨Ⅰ区和胫骨Ⅰ区)。随访时两组患者Mazur评分、Tegner评分均明显高于术前,组间无显著性差异。AOFAS评分治疗后较治疗前提高的分值改良Karlsson组明显高于改良Brostrm组。除改良Brostrm组有1例治疗后阳性外,两组其他患者抽屉试验和内翻应力试验治疗后均为阴性。改良Karlsson组治疗时间明显短于改良Brostrm组,满意度评分两组差异无显著性意义。改良Brostrm组2例再伤,改良Karlsson组1例再伤。结果表明,改良Karlsson治疗具有与改良Brostrm治疗效果相似、操作更便捷。

功能性踝关节不稳者的静态平衡能力

背景:目前国内对功能性踝关节不稳者平衡能力的研究较少,并且其平衡能力的缺失也可能是导致踝关节反复损伤的一个重要原因,对其研究能有效地降低损伤概率。目的:分析功能性踝关节不稳者的静态平衡能力特征。方法:选取10名男性患有单侧功能性踝关节不稳的受试者为实验组,匹配10名无踝关节伤病的受试者作为对照组。采用win-pod平衡功能检测系统对受试者进行双足和单足的静态平衡能力的测试,双足测试30s,单足测试10s,获得评价平衡能力各指标的数值。结果与结论:双足测试时,无论是睁眼还是闭眼状态下,实验组的各项指标与对照组之间差异无显著性意义(P>0.05),但双足站立时各指标的值明显都小于单足站立时各指标值,说明在双足站立时,功能性踝关节不稳者的静态平衡能力与正常人差异没有显著性意义,而双足的静态平衡能力比单足的要好。而在患侧足单足测试时,观察发现功能性踝关节不稳者的静态平衡能力略差于正常人,尤其在闭眼状态下。再通过组内X轴平均摆幅与Y轴平均摆幅的对比发现,在维持平衡姿势的过程中,身体重心的摆动方向基本上以前后方向为主。

骨水泥型与非骨水泥型假体的置换应用特征

目的:概述骨水泥型与非骨水泥型假体置换在骨折治疗中的应用。资料来源:检索Pubmed1993-01/2004-10关于骨水泥型与非骨水泥型假体用于人工髋关节置换及治疗其他骨折疾病中的应用,以及骨水泥型人工髋关节置换的生物力学分析有关的文章。检索词为"bone cement,cementless,arthroplasty,biomechanics"并限定语言种类为英文。同时检索中国期刊全文数据库2003-01/2006-12的相关文章,检索词"骨水泥,非骨水泥,关节置换术,生物力学"。资料选择:对资料进行初审,纳入标准:①关于骨水泥型和非骨水泥型人工髋关节置换的临床应用。②骨水泥型人工髋关节置换的生物力学分析。③骨水泥在除髋部骨折外治疗中的应用。排除标准:重复性研究。资料提炼:共收集到120篇文章,排除94篇重复性研究,纳入26篇与纳入标准最为贴近的文章。资料综合:骨水泥型假体的应用在治疗老年股骨颈骨折方面取得满意效果,可改善患者Harris髋部评分,并发症也较少。非骨水泥型假体表面为多孔,植入人体后,依靠骨组织反应生长能力,使骨与假体表面形成紧密地生物固定,其具有手术时间短,术中患者安全、假体固定为生物学固定、手术创伤小等优点,避免了骨水泥在注入过程中产生的不良反应以及术后假体返修所带来的取出麻烦、骨质破坏过多现象。应用非骨水泥人工全髋关节进行全髋关节置换术优良率达92%。人工全髋关节置换术后假体松动是临床病例中常出现的问题。在众多的相关因素中,机械力学因素是造成假体松动的主要原因之一。磷酸钙骨水泥在多种骨折:桡骨远端关节内骨折、胫骨平台压缩性骨折、跟骨骨折等中也有应用。结论:骨水泥与非骨水泥型假体置换已在临床广泛开展,并已取得了较满意的效果。

数字散斑法测量加载100N与500N肱骨干骨折钢板固定下的位移

背景:目前国际上还没有统一骨组织力学性能测试的试验标准。以往将传统传感器引入骨折位移的研究,存在精度低、高消耗成本等问题。目的:采用数字散斑法测量肱骨骨折内固定后钢板螺钉的位移特点。方法:取8根肱骨,于其中点横断,制造肱骨中段骨折模型。将标本用8孔钢板固定,骨折线两端各使用4枚螺钉。将实验模型设计成5种状态进行对比分析:状态a是骨折后加压钢板坚强内固定组(未锯断,模拟骨折愈合),状态b是在状态a锯断后基础上近端去1枚螺钉,状态c是在状态b的基础上远端去1枚螺钉,状态d是在状态c的基础上近端去1枚螺钉,状态e是在状态d的基础上远端去1枚螺钉。螺钉编号顺序从上到下依次为1-8号,即骨折线上位螺钉为1-4号,骨折线下位螺钉为5-8号。用电子万能试验机进行加载100 N与500 N测量,通过相关软件计算位移。结果与结论:在不同载荷间的总位移比较,差异有显著性意义(F=49.155,P<0.001),即随着加载力的增大,5种模拟状态下第4钉、第5钉的总位移值均呈逐渐增大趋势。提示骨折线两端的2枚螺钉是承受较多应力的部位(应力集中),易于发生断裂,应选用比现有螺钉直径增大1-2.5 mm的螺钉,增加骨折线旁固定螺钉的稳定性以避免断钉等后遗症。

牵引夹板治疗骨折时橡皮筋拉伸和应力松弛测试

背景:单纯石膏外固定治疗桡骨远端粉碎性骨折难以实现良好复位和固定,近年来以牵引式夹板治疗的效果较好。目的:运用生物力学的研究方法,对比分析牵引式夹板治疗桡骨远端粉碎性骨折时橡皮筋拉伸及应力松弛与效果的关系。方法:236例桡骨远端粉碎性骨折患者按治疗方法分为治疗组和对照组,治疗组实行牵引式夹板治疗,对照组实行单纯手法整复夹板外固定。治疗后定期拍摄X射线片观察骨折愈合情况,腕关节功能采用Dienst评估标准进行评定。采用Instron电子万能材料试验机3367对牵引的橡皮筋进行橡皮筋拉伸和应力松弛实验,测试橡皮筋的最大应力。结果与结论:按意向性处理分析,全部进入结果分析。患者随访均超过5个月,最长随访13个月。Dienst功能评估:治疗组优68例,良42例,优良率93.2%,对照组优良率52.6%,治疗组优良率显著高于对照组。证实采用牵引式夹板治疗桡骨远端粉骨折,操作简单方便,临床疗效可靠。橡皮筋拉伸和应力松弛实验结果显示,橡皮筋的最大应力为46.97N,最终应力保持在20.60N,能够达到桡骨远端粉骨折复位治疗的牵引作用。

基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性

背景:Anybody人体建模仿真系统是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件,并且是目前惟一可以分析完整骨骼肌肉系统的软件,利用它可以计算模型中骨骼、肌肉、关节的受力变形。目的:实验旨在通过计算模型观察手指在冷水刺激环境下食指的灵活性。方法:参照以往人食指运动实验结果,获得人食指弯曲的运动学参数,利用Anybody软件平台构建正常人手部握拳运动学模型,并进一步构建了包含两根外屈肌(指浅屈肌和指深屈肌)的骨骼肌肉模型,通过逆向动力学分析,考察受冷水刺激前后手部握拳运动时肌肉力和收缩功率等的变化。结果与结论:冷水刺激后,食指各关节在屈伸过程中的平均角速度较冷水刺激前变小,指浅屈肌的肌肉力变化幅值也较冷水刺激前增大;指深屈肌的收缩功率下降明显,而指浅屈肌收缩功率变化不大。结果证实,冷水刺激会使正常人手握拳动作变慢,且正常人手的指浅屈肌对冷水刺激更敏感,进一步说明指浅屈肌在握拳动作中的重要性。

虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景:在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。目的:从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。方法:用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。结果与结论:直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。

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。