假肢矯形器學--假肢矯形器生物力學基礎(chǔ)

1、第二章 假肢矯形器生物力學基礎(chǔ),www.378700000.com,補充知識：人體運動生物力學,,---2009年全國假肢矯形器制作師執(zhí)業(yè)資格理論課,1、力學基礎(chǔ)知識 2、骨杠桿 3、關(guān)節(jié),力的基本概念,定義：一個物體對另一個物體的作用， 物體間力的作用是相互的。力的單位：牛頓，N 人體運動生物力學中的力主要是：人體與地面、器械、流體的相互作用。力的效應(yīng)：力使物體的運動狀態(tài)和形狀發(fā)生改變的作用。內(nèi)效應(yīng)（形狀發(fā)生改變）和

2、外效應(yīng)（運動狀態(tài)改變）力的效應(yīng)的描述：牛頓第一定律、第二定律和胡克定律為基礎(chǔ)。,,力學基礎(chǔ)知識,力的三要素：大小、方向、作用點內(nèi)力：在一個系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的力。 人體內(nèi)部各部分相互作用的力，如肌肉力、組織粘滯力、韌帶張力、關(guān)節(jié)約束反作用力等稱為人體內(nèi)力。外力：外界作用于人體的力稱為人體外力。 人體所受主要外力：重力、彈力、摩擦力、支撐反作用力、介質(zhì)作用力等，矯形器的壓力、扭力等。內(nèi)力與外力的關(guān)系： 內(nèi)力與外力的概念是

3、相對的。確定某個力是外力或者是內(nèi)力，取決于選取的研究對象。研究對象不同，同一個力既看作是內(nèi)力也可看作是外力。,重力：物體本身受地球吸引而產(chǎn)生的力，方向指向地心。重力與質(zhì)量不同：質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少，是物體慣性的量度，標量，重力是物體產(chǎn)生重力加速度的原因，矢量。重心：重力的作用點是物體的重心。人體重心：人體各部分所受地球引力的矢量合成，使人體產(chǎn)生重力加速度的力。,幾種常見力,骨杠桿定義：在肌肉拉力作用下，骨骼能夠圍繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)

4、動，并克服阻力做功，其功能與杠桿相同，稱作骨杠桿。骨杠桿具有三個點：動力作用點、阻力作用點和支點。支點：是關(guān)節(jié)的瞬時中心；動力臂：是肌肉作用線到支點的垂直距離。阻力臂：是阻力作用線到支點的垂直距離。,骨杠桿原理杠桿原理：即杠桿平衡條件，作用在同一物體的兩個力矩，大小相等，方向相反。 動力×動力臂=阻力×阻力臂代數(shù)式： F1*L1= F2*L2杠桿平衡條件反映：動力臂是阻力臂的幾倍，動力

5、就是阻力的幾分之一。,關(guān)節(jié)定義關(guān)節(jié)：是骨與骨之間的可動連接；基本功能：傳遞力和保證身體各部分間靈活運動；特點：靈活性和穩(wěn)定性；穩(wěn)定性和靈活性：是關(guān)節(jié)功能同時存在的兩個方面，關(guān)節(jié)靈活性以便人體運動時適應(yīng)各種運動，穩(wěn)定性保證人體運動中維持動態(tài)平衡，處于合理的工作狀態(tài)，免于損傷。,關(guān)節(jié)的分類,下肢運動的關(guān)節(jié)主要包括：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)；髖關(guān)節(jié)：是球關(guān)節(jié)，其股骨頭和髖臼具有朝各個方向活動的能力；膝關(guān)節(jié)：屬于多軸關(guān)節(jié)；踝關(guān)節(jié)的

6、運動：包括跖屈、背屈、外旋、內(nèi)旋； 肘關(guān)節(jié)：運動主要包括兩種是屈曲和伸展。,,概述,,正常步態(tài),,異常步態(tài),,矯形器的生物力學,正常步態(tài)屬于假肢的生物力學內(nèi)容。1、對于下肢截肢者來說，安裝假肢的目的，最主要的是代償其步行功能，盡可能的像健康人那樣，以正確的方式自由的行走和穩(wěn)定站立。2、對于下肢假肢技術(shù)的種種研究和新產(chǎn)品的開發(fā)，也可以說都是以提高假肢的步行功能為目的的。 因此，作為實現(xiàn)上述目的的基本點，必須首先了解人體正常

7、步態(tài)的特征及其與假肢異常步態(tài)之間的聯(lián)系。,為什么要學習正常步態(tài)分析？,,,,步態(tài)分析的目的,,1．使假肢盡可能的像健康人的肢體那樣，以正確的方式自由的行走和穩(wěn)定站立,,www,378700000.com,,,,自然步態(tài)的要點,(1) 合理的步長、步寬、步頻。,(2) 上身姿勢穩(wěn)定。,(3) 最佳能量消耗。,,概述,正常步態(tài)：人體在行走時的姿態(tài)，是步行運動狀態(tài)的統(tǒng)稱。 行走時并不需要思考，然而步行的控制十分復雜，正常步態(tài)有賴于中樞神

8、經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)以及骨骼肌肉系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作：1、中樞命令：皮層、脊髓、步行中樞2、身體平衡和協(xié)調(diào)控制3、足、踝、膝、髖、軀干、頸、肩、臂的肌肉和關(guān)節(jié)協(xié)同運動。任何環(huán)節(jié)的失調(diào)都可能影響步態(tài)，而某些異常也有可能被代償或掩蓋。,,,www,378700000.com,,正常步態(tài)特征,穩(wěn)定性以最小的能量消耗來取得最大的身體重心穩(wěn)定周期性和節(jié)律性兩側(cè)下肢交替擺動，重復相同過程。方向性使軀干沿著一定的方向移動。協(xié)調(diào)性全身各

9、關(guān)節(jié)、肌肉的參與，大腦對這些組織的控制個體差異后天經(jīng)學習而獲得，并隨年齡、性別、職業(yè)的不同而有所差異,正常步態(tài)參數(shù),步寬（stride width）：兩側(cè)足中心線之間的距離，正常大約5～10cm步幅長(step length)_：一側(cè)足跟邁步后到對側(cè)足跟之間的距離，正常大約50～80cm跨步長(stride length)：一側(cè)足跟到同側(cè)足跟邁步后的距離，為步幅長的兩倍，正常大約100～160cm步角/足角（foot ang

10、le）:足的長軸和中心線之間的夾角,正常步態(tài)參數(shù),重心移動行走時，身體重心隨著骨盆的向前移動而上下移動大約5cm，側(cè)方移動約5cm,骨盆旋轉(zhuǎn)當擺動腿向前邁步時，骨盆向前及向?qū)?cè)發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)，正常約4°,正常步態(tài)參數(shù),步頻（cadence）每分數(shù)邁出的步數(shù)步頻＝步數(shù)/60（步/分）正常：95～125步/min步速步行速度單位時間內(nèi)行走的距離（正常成年人1.5米/秒）讓測試對象以平常的速度步行10米的距離，測量

11、所需的時間計算：步速（米／秒）＝距離／所需時間,,正常步態(tài),,一、步行周期（gait cycle）,步行周期指行走過程中一側(cè)足跟著地至該側(cè)足跟再次著地時所經(jīng)過的時間。 分為：,1、支撐相（stance phase 60％）：又稱站立相，為足底與地面接觸的時期。 2、擺動相（swing phase 40％）：又稱邁步相，指腳趾離地到腳后跟著地的時期。即：支持腿離開地面想起擺動的階段。,www,3

12、78700000.com,踵，即：腳后跟,,,一個步行周期,步態(tài)周期,3項功能（task）承受體重單腿站立向前邁步,站立相分期,首次著地足放平（負荷反應(yīng)期，預(yù)負荷）站立中期足跟離地（站立相末期）足趾離地（邁步相前期）,首次著地（0%）,步行周期和站立相的起始點，指足跟或足底的其它部位第一次接觸地面的瞬間。,足放平（0～10%GC）,,整個足底著地的瞬間。即首次著地至支撐腿于站立相過程中膝關(guān)節(jié)達到最大屈曲角度的時期。,站立

13、中期 （10～40%GC）,從對側(cè)下肢離地到軀干位于支撐腿正上方。,足跟離地（40～50%GC）,站立相中期過后，支撐腿足跟離地的瞬間。,足趾離地（50～60%GC）,支撐腿足趾離地的瞬間，標志著站立相結(jié)束和邁步相開始。,邁步相分期,初期中期末期,邁步相初期（60～70%GC）,從支撐腿離地到該腿膝關(guān)節(jié)達到最大屈曲時。,邁步相中期（70～85%GC）,,指下肢向前擺動的動作過程中，從膝關(guān)節(jié)最大屈曲擺動到小腿與地面

14、垂直的時期。,邁步相末期（85～100%GC）,從與地面垂直的小腿向前擺動到該側(cè)足跟再次著地之前。此時小腿減速向前擺動。,我們?yōu)槭裁催@樣走路,站立時的生物力學,地面反應(yīng)力從腳中間的地面開始延伸，穿過踝和膝關(guān)節(jié)的前面及髖關(guān)節(jié)的后面髖關(guān)節(jié)的后伸力矩被髂股韌帶抵抗膝關(guān)節(jié)的前伸力矩被膝后的關(guān)節(jié)囊和韌帶相抵抗,站立時的生物力學,踝關(guān)節(jié)的背屈力矩被踝跖屈肌力矩相對抗安靜時需不停活動的下肢肌肉是踝跖屈肌,,雙腳站立時，足底力的分布,,,,

15、,步行是平滑、毫不費力的移動,正常人群，步行速度80米/分的正常舒適步行，能量消耗為基礎(chǔ)代謝的4倍通過最大程度地減少行走過程中身體重心(COM)的位移而達到步行中，中心沿一條正弦曲線上下、左右移動，在單腿支撐期達到最高點、雙腿支撐期達到最低點。,一、 正常步行周期的基本組成,,（一） 雙支撐期和單支撐期,www,378700000.com,,雙支撐期：一側(cè)足跟著地至對側(cè)足趾離地前雙腿與地面接觸的時期。 每一個步行周期中，有兩個雙支

16、撐相，即負荷反應(yīng)期和站立末期。,步態(tài)分析（Gait Analysis）,步態(tài)分析,定義利用力學概念和已掌握的人體解剖、生理學知識對人體行走功能狀態(tài)進行客觀的定性或定量分析內(nèi)容描述步態(tài)模式和步態(tài)參數(shù)認識和描述步態(tài)的差異分析出現(xiàn)差異的原因，研究產(chǎn)生異常步態(tài)的機理確定步態(tài)異常者需要何種治療或助行器,步態(tài)分析目的,總的目的分析肢體功能制定治療方案評價步態(tài)訓練效果評定假肢或支具的可行性對穿戴假肢或支具前后的步態(tài)進行評定，評

17、定其作用程度作出必要的調(diào)整,步態(tài)分析對象,有步行障礙的病人神經(jīng)系統(tǒng)中樞性和周圍性神經(jīng)損傷中風、頭部外傷、腦性癱瘓、腦腫瘤、脊髓損傷、脊髓炎、尺、橈、脛、腓神經(jīng)損傷等運動器官骨骼、關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉、肌腱等障礙各種脊椎疾病、關(guān)節(jié)疾病、肌營養(yǎng)不良、截肢等神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)接合部障礙重癥肌無力等,步態(tài)分析目的,步態(tài)分析系統(tǒng)評定肢體傷殘的程度根據(jù)步態(tài)分析系統(tǒng)提供的信息對行走功能和致殘的機制進行深入研究從生物力學的角度提供針

18、對性的治療方案,步態(tài)分析方法,臨床分析觀察法（observational gait analysis）測量法（measurement）步態(tài)分析實驗室（gait laboratory）步態(tài)分析儀（dynamic analysis）,超聲波步態(tài)分析系統(tǒng),足底傳感器步態(tài)分析系統(tǒng),紅外發(fā)射標志點步態(tài)分析系統(tǒng),觀察步態(tài)：定性,注意身體的某一節(jié)段或某一關(guān)節(jié)通過檢查表或簡要描述的方式記錄步態(tài)周期中存在的問題按習慣的行走方式來回步行

19、從不同方向(正、背、側(cè)面)觀察全身姿勢下肢各關(guān)節(jié)的活動各步態(tài)參數(shù)上肢擺動,觀察步態(tài)：定性,讓病人作變速行走慢速、快速、隨意放松步行，分別觀察有無異常在步行中，可以讓病人停下，轉(zhuǎn)身行走上下樓梯或斜坡、繞過障礙物坐下和站起，原地踏步或原地站立，閉眼站立用助行器行走的病人只要有可能，分別使用或不使用助行器行走,觀察步態(tài)：定量,測定時間參數(shù)病人在規(guī)定距離的道路上行走，用秒表計時，實測行走距離不少于10米，兩端應(yīng)至少再加2—

20、3米以便受試者起步加速和減速停下測定距離參數(shù)（足印法）用滑石粉或墨水使病人行走時能在規(guī)定走道上或地面鋪的白紙上留下足印測試距離至少6米，每側(cè)足不少于3個連續(xù)足印，以便分析左右兩側(cè)各項數(shù)值,,實驗室步態(tài)分析,應(yīng)用計算機技術(shù)獲得病人在行走時關(guān)節(jié)運動的精確信息，同時可以獲得行走時激發(fā)的肌肉活動和肌力參數(shù)。,,,足受力分析,,左足,右足,1 2 3

21、 4 5 6 Color Dark Gray Light Gray Cyan Yellow Magenta Red 黑色淺灰色 藍綠色 黃色 品紅色 紅色,Pressure Level 1= lowest 6= highest,臨床應(yīng)用：足托,,步態(tài)分析系統(tǒng),體表肌

22、電圖,攝像機,測力板（臺）,標記物（球）,,,,,,,,,步態(tài)實驗室,58,步態(tài)分析系統(tǒng),臨床常見異常步態(tài),肌痙攣步態(tài)肌無力步態(tài)關(guān)節(jié)強直步態(tài)蹣跚步態(tài)慌張步態(tài),肌痙攣步態(tài):偏癱步態(tài),原因患足下垂內(nèi)翻下肢外旋或內(nèi)旋膝不能屈曲表現(xiàn)擺動腿向前邁步時患腿常經(jīng)外側(cè)回旋向前，故又稱回旋步或劃圈步上肢常出現(xiàn)屈曲內(nèi)收，停止擺動,肌痙攣步態(tài)：截癱步態(tài),又稱交叉步或剪刀步原因下肢內(nèi)收肌痙攣表現(xiàn)步行時雙側(cè)髖內(nèi)收雙膝互相摩擦步

23、態(tài)不穩(wěn)也可見于腦癱病人,肌無力步態(tài)：臀大肌無力,原因伸髖肌群無力表現(xiàn)行走時軀干用力后仰重力線通過髖關(guān)節(jié)后方以維持被動伸髖，并控制軀干的慣性向前形成仰胸凸肚的姿態(tài),蹣跚步態(tài)小腦共濟失調(diào)，步行搖晃不穩(wěn)，不能走直線，狀如醉漢，又稱酩酊步慌張步態(tài)帕金森病或基底節(jié)病變時，步態(tài)短而快，并出現(xiàn)陣發(fā)性加速，不能隨意停止或轉(zhuǎn)向，上肢擺動縮小或停止，稱慌張步態(tài)或前沖步態(tài),帕金森病,矯形器生物力學原理：三點力系統(tǒng),任何一個矯形器都由一個或者

24、幾個三點力系統(tǒng)共同參與作用三點力系統(tǒng)提供一個額外的矯形力矩，以改善功能為目的舉例：AFO矯形的三點力分別位于足底的前部，足背部位，小腿肚的后面．,矯形器的生物力學原理,三點矯正原理：通過三點受力原理對畸形進行矯正固定原理：通過對軀干或肢體的包容限制其活動免荷原理：減輕肢體某節(jié)段骨骼或者關(guān)節(jié)的軸向負重補償原理： 通過矯形器或外部裝置對縮短的下肢進行高度補償，達到雙下肢等長。在一件矯形器中，往往有一個或幾個原理同時作

25、用,,課程小結(jié),1、步態(tài)人體在行走時的姿態(tài)；是通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續(xù)活動，使身體沿著一定方向移動的過程2、步態(tài)周期從足跟著地到同側(cè)足跟再次著地所經(jīng)歷的時間，分為站立相和擺動相；功能為承受體重、單肢站立及向前邁步3、正常步態(tài)特征穩(wěn)定性、周期性和節(jié)律性、方向性、協(xié)調(diào)性、個體差異,課程小結(jié),4、步態(tài)分析目的 使假肢盡可能的像健康人的肢體那樣，以正確的方式自由的行走和穩(wěn)定站立；提高假肢的步行功能；比較不同種類的輔助具