下肢肌骨系统增强训练技术的生物力学优化研究

目的胫骨是下肢应力性骨折的高发部位之一。Wolff's law提出骨因力学刺激而发生结构适应性改变。研究表明,日常活动对骨影响有限,但特定负重、冲击训练可造成不同程度应变刺激而具备促骨生成效应。本研究旨在构建个性化肌骨动力学和形变体计算力学模型,对比不同负重运动训练对胫骨应力应变影响。方法将下肢动力学模型与胫骨有限元模型结合,计算不同负重运动下胫骨骨干处应变能。肌骨动力学、有限元模型均基于计算机断层扫描图像(CT)建立。有限元模型中,骨材料属性赋值基于CT Hounsfield值,结合Modulus-density关系确立;边界条件由肌骨动力学模型加载,并进行刚柔耦合力学分析。运动训练包括:快走(基线),大腿负重2%BW(Body Weight)、4%BW、6%BW快走,小腿2%BW、4%BW、6%BW快走,大腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,小腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,起跳,落地。结果胫骨应变能增幅取决于负重重量、位置、运动类型。在大腿/小腿负重快走、小腿负重深蹲中,应变能增幅显著的均为4%BW负重;所有运动起跳应变能增幅最大达548.8%;相同负重深蹲应变能大于行走。结论本研究构建的个性化肌骨系统计算力学模型更符合人体生理条件预测,对比不同运动对胫骨应变刺激的差异。本研究对易发生下肢损伤的人群,为强化其骨强度开展训练提供科学依据。

一种面向神经系统病变患者的可穿戴步态数据采集和分析智能鞋技术

目的步态是人体步行的姿态和行为特征,反映了神经和运动系统的协调能力。帕金森病患者在疾病发展过程中常伴有步态功能障碍,现有步态分析设备成本高昂、操作复杂,难以在临床应用。本研究旨在开发一套可穿戴系统对神经系统病变患者的运动功能进行定量评估。方法提出一种Lab-in-Shoe智能鞋系统,通过集成惯性测量单元和鞋内薄膜压力传感器,利用零速修正算法完成双足位置和姿态的解算,从而测量步态典型时空参数。该系统在临床进行初步应用,招募了7名健康受试者和15名帕金森病患者进行8 m长的Timed Up and Go(TUG)测试。结果研究结果表明,统一帕金森病评定量表评分与步长(r=-0.88,P<0.001)和步速(r=-0.84,P<0.001)存在显著负相关性。Hoehn-Yahr分级与步长(r=-0.75,P<0.001)和步速(r=-0.70,P<0.001)存在显著负相关性。将6类显著相关的步态参数通过多元线性回归分析建立评分与步态参数的回归模型(R2=0.8149,P<0.001,RMSE=10.14)。结论本研究通过Lab-in-shoe智能鞋系统采集、分析帕金森病患者的步态参数;初步结果显示能有效区分不同阶段患者的步态异常,随着疾病加重,步长、步速均呈现明显下降的特征;多元线性回归模型也表明步态参数与帕金森病情严重程度存在强关联性。未来有望将该系统应用于神经系统病变患者的诊断、康复。

不同运动模式下人体股骨应变能密度影响促骨生成效应的数值计算研究

目的研究不同运动环境下,结合骨重建理论计算不同力学刺激下骨密度和骨强度变化趋势,建立运动促进骨质健康的无创监测和预测方法。方法基于应变能密度准则和骨自优化理论,编写骨重建算法。结合股骨近端有限元模型和骨重建算法,对静止站立、行走、跑步、深蹲、原地起跳和深蹲起跳6种运动的人体生理载荷和边界条件进行模拟,通过迭代计算得到骨密度分布,预测骨组织在不同运动力学刺激下的结构适应性变化。结果不同力学刺激对松质骨生长的影响不尽相同。行走和深蹲中髋臼、股骨颈的骨密度分布均匀,重建效果较好,与真实松质骨结构相近,应力的增长与密度的生长与骨局部区域所受到力学刺激密切相关。跑步和跳跃类的运动提供了更大负荷和更高频率,能在较短时间内增强骨结构强度,但存在骨应力性损伤风险。深蹲起跳结合静态和动态负荷,使股骨近端承受压力同时受到冲击力的刺激,综合负荷运动对股骨干的刺激显著,同时能增强下肢肌肉力量和协调性。结论本研究通过数值计算证实行走和深蹲适合长期维持骨骼健康,高冲击运动适合骨骼快速生长及需应对高强度负载的人群。提出的骨重建迭代算法对骨密度无创监测和预测,有望为运动促骨健康理论提供技术支撑。

人体动态平衡辅助的穿戴式外骨骼控制系统设计与应用验证

目的本研究受人体通过髋关节加载/卸载调控足-地面交互力而实现自平衡的生物力学机制启发,设计了一种基于足-地面交互力反馈的外骨骼辅助控制系统。该系统通过动态调节足底压力中心(CoP),旨在增强穿戴者在受扰状态下的多运动平面的姿态控制能力,达到平衡功能增强的目的。方法研发的外骨骼平衡增强系统设有4个置于髋部的驱动器,支持穿戴者在多平面进行协同运动控制。该系统采用模糊逻辑控制框架,以双足柔性薄膜压力传感器捕获的CoP偏移量为控制输入,分析人体自平衡过程中的足底压力动态变化,并自适应调整控制增益。为验证系统性能,通过6自由度平台进行动态扰动实验,监测臀中肌的激活度及CoP的时空特征变化,评估穿戴外骨骼前后平衡控制能力差异。结果外骨骼的主动介入平均响应时间为扰动发生后20 ms。穿戴该系统后,力矩辅助模式根据穿戴者双足的压力自动调整辅助参数,结果显示,臀中肌的激活水平下降了24%,同时CoP的收敛时间缩短了12%。结论基于足地交互反馈机制的多平面外骨骼系统能够动态感知穿戴者的失稳状态,并通过主动防护策略有效增强其对突发扰动的平衡控制能力。本研究为外骨骼技术在平衡控制领域的应用提供了新的理论和实践依据。