偏瘫步态代偿行走功能生物耦合机制研究

论文摘要

人类肢体受到损伤后，仍然具有行走功能，这种异常步态是由于多因素耦合总用而形成的，研究由于多因素耦合作用而形成的异常步态代偿行走功能的生物耦合机制，进而对生物耦合模型进行有效的预测，无论是在人机工程，还是在康复工程上都具有重要的意义。本文根据人体解剖学原理将人体下肢简化为七刚体铰接模型，采用VICON三维运动捕捉系统和KISTLER测力台搭建了步态分析实验系统，对偏瘫患者及正常人行走时的运动学数据和动力学数据进行了采集，通过对偏瘫患者健、患两侧以及正常人之间的运动学及动力学数据进行分析，发现与正常人相比偏瘫患者健患两侧的运动学数据和动力学数据均出现明显变化。通过运动学数据可知偏瘫患者健侧在一个完整的支撑相内所占的时间延长，而患者患侧的相应的支撑相时间则变短，这是由于为了使肢体前行，患者健侧肢体的代偿机制平衡了患者的不对称能力，从而健侧肢体支撑相所占比重增加；通过动力学数据可知，为了保持一个相对较好的步行能力，患者健侧出现膝、髋关节的屈伸力矩增大、踝关节的跖曲和背屈力矩减小等代偿性现象的变化。通过对髋-膝关节的屈伸运动耦合机制的分析可知，在一个完整的步态周期内，髋关节对人体前行起到了主要作用，而膝关节主要是起到控制身体重心前移，减小地面对身体的冲击力的作用。正常人以及患者健、患两侧的髋-膝关节的屈伸运动均呈现近似的线性耦合特性；通过对髋-踝关节的屈伸运动耦合机制的分析可知，在一个完整的步态周期内，髋关节对人体前行起到了主要作用，而踝关节主要是起到推动肢体离开地面继续前移，以及在足跟着地时减小地面对身体的冲击力的作用。通过获得的人体股骨医学图像，并通过逆向工程软件建立其三维模型，采用有限元分析方法对在步态变化下的股骨应力变化情况及变形情况进行了分析，研究结果显示在偏瘫患者的健患两侧的应力和变形皆容易造成患者骨折以及患关节炎的几率增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 步态分析理论
• 1.2.2 康复医疗器械
• 1.2.3 生物耦合机制研究
• 1.3 本文研究的主要内容及结构
• 第二章 步态分析实验设备及方法
• 2.1 步态分析描述术语
• 2.1.1 人体解剖学描述术语
• 2.1.2 步态分析描述术语
• 2.2 步态分析实验方案
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验流程
• 2.3 数据处理
• 2.3.1 定义全局坐标系
• 2.3.2 下肢多刚体模型及其局部坐标系的建立
• 2.3.3 下肢多刚体运动的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 步态分析实验结果及代偿机制分析
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 实验对象
• 3.1.2 数据分析方法
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 步态周期
• 3.2.2 时空参数
• 3.2.3 关节角度
• 3.2.4 地面反力
• 3.2.5 关节力矩
• 3.3 实验结果及其代偿机制分析
• 3.3.1 步态周期及时空参数的变化特点及代偿机制分析
• 3.3.2 关节角度的变化特点及代偿机制分析
• 3.3.3 地面反力的变化特点及代偿机制分析
• 3.3.4 关节力矩的变化特点及代偿机制分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 偏瘫步态代偿行走功能运动耦合机制研究
• 4.1 引言
• 4.2 偏瘫步态代偿行走功能的运动耦合机制研究
• 4.2.1 髋膝关节运动耦合特性研究
• 4.2.2 膝踝关节运动耦合特性研究
• 4.2.3 髋踝关节运动耦合特性研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 步态变化对人体股骨的生物力学特性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 三维模型的建立及有限元模拟方法
• 5.2.1 股骨三维模型的建立
• 5.2.2 有限元分析方法
• 5.3 有限元结果分析
• 5.4 结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结及工作展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 导师及作者简介
• 致谢