基于模拟膝关节僵直的步行器助行上肢力学研究

论文摘要

随着生物医学工程和康复医学的飞速发展,步行器在膝关节僵直患者重建站立和行走功能的康复治疗中发挥着越来越重要的作用。因此,对于康复行走效果的评估成为亟待解决的研究课题。由于步行器行走过程中的稳定性需要依靠上肢力量的调节来获得,所以行走效果评估的前提是清楚了解膝关节僵直患者步行器助行过程中的上肢三维力学状况,而目前有关研究尚较少开展。本文即旨在该领域进行创新性探索研究。步行器助行力学研究包括上肢力学数据提取和力学模式分析两部分。本文自行搭建了基于柄反作用矢量(HRV)的步行器测力系统实验测试平台;设计了模拟膝关节僵直实验方案;采集了15名健康年轻人在模拟不同膝关节僵直模式下的步行器助行上肢三维力学数据;利用统计学方法对受试者单位步态周期内的上肢HRV特征参数进行了显著性差异分析;并分析和讨论了不同膝关节僵直模式对于上肢力的影响;在此基础上,还针对不同僵直模式以HRV为特征向量进行了基于支持向量机(SVM)的模式识别研究,进一步探讨了不同僵直模式之间的HRV特征差异性。本文研究结果表明:膝关节僵直会对患者在步行器助行过程中上肢力学状况产生较大的影响;同时也发现,对于单侧膝关节僵直患者,在其先迈患侧腿的半个单位步态周期内,膝关节僵直对其上肢健侧手水平力、健侧手垂直力以及患侧手垂直力产生影响较小;统计学分析和SVM算法能够有效地识别不同膝关节僵直模式下上肢力学状况的特征差异,其中SVM在使用非线性核函数时较线性核函数更能有效地提取HRV中的非线性信息。以上研究结果将有助于康复行走效果的评估。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究内容
• 第二章 膝关节僵直基本知识概述
• 2.1 膝关节
• 2.2 膝关节僵直的原因
• 2.3 膝关节僵直的康复
• 第三章 基于柄反作用矢量（HRV）的步行器测力系统
• 3.1 步行器的简介
• 3.1.1 动力步行器
• 3.1.2 功能性电刺激步行器
• 3.1.3 无动力步行器
• 3.2 HRV的概念
• 3.3 HRV的测量
• 3.3.1 冗余—优化算法
• 3.3.2 测量位置的选取
• 3.3.3 步行器测力系统校准
• 3.4 步行器测力系统组成
• 3.4.1 硬件部分
• 3.4.2 软件部分
• 3.5 本章小结
• 第四章 模拟膝关节僵直实验及统计学分析
• 4.1 模拟膝关节僵直实验
• 4.1.1 实验对象
• 4.1.2 实验过程
• 4.2 模拟膝关节僵直实验结果
• 4.3 上肢三维力统计学分析
• 4.3.1 力学数据预处理
• 4.3.2 上肢三维力数据显著性差异检验
• 4.3.3 统计学分析结果及讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于支持向量机的HRV力学模式研究
• 5.1 SVM基本原理知识
• 5.1.1 统计学学习理论
• 5.1.2 SVM基本原理
• 5.1.3 核函数
• 5.2 基于支持向量机的分类算法实现
• 5.2.1 核函数的选择
• 5.2.2 参数的选择
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 结果
• 5.3.2 讨论
• 5.3.3 结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本研究的主要工作总结
• 6.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢