人體關(guān)節(jié)生物力學(xué)實驗及仿真研究.pdf

1、人體關(guān)節(jié)生物力學(xué)的研究為臨床診斷及疾病預(yù)防、醫(yī)學(xué)仿真、康復(fù)工程、體育競技、航空航天等提供了重要的理論依據(jù)。但是目前生物力學(xué)領(lǐng)域還存在許多急需解決的問題,比如:骨關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病機(jī)理尚不明確;人工關(guān)節(jié)失效問題在很大程度上限制了其使用壽命;另外,我國的生物力學(xué)研究起步較晚,人體運動學(xué)數(shù)據(jù)庫還不是很完善,而人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品大都依靠進(jìn)口,它們在解剖形態(tài)、行為運動、關(guān)節(jié)力學(xué)等方面均與我國患者不盡匹配。因此,深入研究人體關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為具有十分重要的現(xiàn)

2、實意義。
　　本論文運用當(dāng)今運動生物力學(xué)的先進(jìn)研究手段,從生物學(xué)、力學(xué)、解剖學(xué)的角度出發(fā),對健康人及關(guān)節(jié)損傷患者的髖、膝關(guān)節(jié)運動生物力學(xué)行為進(jìn)行了實驗及仿真分析,旨在為國人關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立提供數(shù)據(jù)支撐,同時為深入揭示人體髖、膝關(guān)節(jié)運動規(guī)律、了解骨關(guān)節(jié)疾病的力學(xué)病理原因、運動創(chuàng)傷的預(yù)防和康復(fù)以及人工關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。
　　通過研究國人在走路、跑步、下蹲、下跪等日常典型運動中的下肢關(guān)節(jié)運動行為,發(fā)現(xiàn)下肢關(guān)節(jié)運動學(xué)

3、參數(shù)具有明顯的年齡、性別、人種差異。具體來說,與男性相比,女性在冠狀面和橫斷面內(nèi)具有較大的關(guān)節(jié)活動度;與歐美人種相比,國人的步行速度、關(guān)節(jié)活動范圍均存在一定的差異;另外,對青年人來說,膝關(guān)節(jié)活動度在低屈曲運動中與高屈曲運動中存在較強(qiáng)的相關(guān)性,而老年人則沒有明顯的相關(guān)性。
　　利用運動捕捉技術(shù)對前交叉韌帶損傷患者在韌帶重建前后分別進(jìn)行了步態(tài)分析,并結(jié)合歐拉法、逆向動力學(xué)方法建立了三維關(guān)節(jié)運動角度、關(guān)節(jié)力、力矩等運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)的求

4、解模型,結(jié)果表明:與健側(cè)膝關(guān)節(jié)相比,在韌帶重建手術(shù)三個月后,患側(cè)膝關(guān)節(jié)的上述運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)均尚未恢復(fù)到正常水平。此外,利用膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性測量設(shè)備對前交叉韌帶損傷患者的被動旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行了測量,通過分析膝關(guān)節(jié)主動旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與被動旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的相關(guān)性,指出臨床上被動測量方法得到的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性并不能反映其在主動情況下的真實穩(wěn)定性。
　　基于關(guān)節(jié)置換患者的醫(yī)學(xué)掃描圖像,建立了人工膝關(guān)節(jié)有限元模型,通過實驗驗證顯示其模擬計算的結(jié)果與實驗結(jié)果

5、的誤差小于5％?；谏鲜瞿Ｐ?對髕股關(guān)節(jié)運動學(xué)行為進(jìn)行了分析。通過模擬人體從站立到坐下的過程,指出在屈膝過程中,隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增加,髕骨假體產(chǎn)生繞人體x軸的旋轉(zhuǎn),以及沿身體向下、向內(nèi)的移動。同時,基于步態(tài)分析結(jié)果,利用有限元模型對關(guān)節(jié)力在襯墊內(nèi)、外側(cè)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究,深入分析力學(xué)因素對骨關(guān)節(jié)疾病的影響。
　　通過建立人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的股骨模型,研究了關(guān)節(jié)置換術(shù)對股骨應(yīng)力分布、振型的影響,結(jié)果表明:植入假體后股骨原有的