人體關(guān)節(jié)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìng)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(wèn)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(wèn)題在很大程度上限制了其使用壽命;另外,我國(guó)的生物力學(xué)研究起步較晚,人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)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?cè)诮馄市螒B(tài)、行為運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)力學(xué)等方面均與我國(guó)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(shí)意義。
　　本論文運(yùn)用當(dāng)今運(yùn)動(dòng)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(duì)健康人及關(guān)節(jié)損傷患者的髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及仿真分析,旨在為國(guó)人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為深入揭示人體髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、了解骨關(guān)節(jié)疾病的力學(xué)病理原因、運(yùn)動(dòng)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(jì)提供理論支持。
　　通過(guò)研究國(guó)人在走路、跑步、下蹲、下跪等日常典型運(yùn)動(dòng)中的下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)行為,發(fā)現(xiàn)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)

3、參數(shù)具有明顯的年齡、性別、人種差異。具體來(lái)說(shuō),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(dòng)度;與歐美人種相比,國(guó)人的步行速度、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍均存在一定的差異;另外,對(duì)青年人來(lái)說(shuō),膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度在低屈曲運(yùn)動(dòng)中與高屈曲運(yùn)動(dòng)中存在較強(qiáng)的相關(guān)性,而老年人則沒(méi)有明顯的相關(guān)性。
　　利用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)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(dòng)力學(xué)方法建立了三維關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度、關(guān)節(jié)力、力矩等運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(gè)月后,患側(cè)膝關(guān)節(jié)的上述運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)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(cè)量設(shè)備對(duì)前交叉韌帶損傷患者的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)量,通過(guò)分析膝關(guān)節(jié)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與被動(dòng)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的相關(guān)性,指出臨床上被動(dòng)測(cè)量方法得到的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性并不能反映其在主動(dòng)情況下的真實(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示其模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、的誤差小于5％。基于上述模型,對(duì)髕股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)行為進(jìn)行了分析。通過(guò)模擬人體從站立到坐下的過(guò)程,指出在屈膝過(guò)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(dòng)。同時(shí),基于步態(tài)分析結(jié)果,利用有限元模型對(duì)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(duì)骨關(guān)節(jié)疾病的影響。
　　通過(guò)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(duì)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