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主被动踝关节假肢与控制方法试验研究踝关节假肢是生物工程学和康复机器人领域中的热点课题,这种假肢可以有效的为小腿截肢患者补偿运动能力。
在国家自然科学基金(91748110)和(51275170)的支持下,进行了对踝关节假肢的研究。
为了使假肢具有正常人踝关节的行走特性,本课题开展了对人体行走过程中踝关节生物力学特性的分析,和对步态周期合理划分的研究,采用串联弹性执行器(SEA)和并联弹簧共同驱动的结构设计,研制了一种主被动混合驱动的踝关节假肢试验样机。
根据人体踝关节的运动特性,提出了一种基于有限状态机和模糊PID的控制方案。
通过对假肢的运动学分析,在MATLAB的Simulink环境中分别建立了角度与力矩控制仿真系统。
在此基础上,研制了一套基于STM32F103单片机的控制器硬件结构与软件系统,实现了传感器信号的采集,控制算法的编程和电机的伺服控制。
试验结果表明,试验样机的角度控制和有限状态机控制可以得到类似人体踝关节运动的角度曲线,并且根据传感器信息可以实现不同运动阶段之间的切换,基本满足截肢患者的运动需求。
控制系统的仿真结果与样机的试验验证了样机结构设计的合理性和控制方案的可行性,为进一步实现样机的应用提供了依据。
下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究一、本文概述随着科技的发展，人们对于生活质量的要求越来越高，特别是对于身体残疾人士来说，如何通过科技手段帮助他们恢复或者提升生活质量，一直是科技界的研究热点。
下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究就是在这样的背景下应运而生的。
本文旨在深入探讨下肢运动模式的识别方法，并研究动力型假肢膝关节的控制策略，以期能够为假肢技术的进一步发展和应用提供理论支撑和技术指导。
本文将对下肢运动模式识别进行深入研究。
通过对人体下肢运动的生物力学特性进行分析，结合现代信号处理和机器学习技术，探索有效的下肢运动模式识别方法。
这将有助于我们更准确地理解人体下肢运动的复杂性，为后续的假肢膝关节控制提供精确的运动数据。
本文将重点研究动力型假肢膝关节的控制方法。
在假肢膝关节的设计中，如何模拟人体膝关节的动态运动特性，使假肢能够自然、流畅地与人体的其他部分协调运动，是一个关键问题。
本文将从动力学的角度出发，研究假肢膝关节的动力学特性，提出合理的控制策略，使假肢能够更好地适应各种运动模式，提高假肢使用者的生活质量。
本文还将对下肢运动模式识别与动力型假肢膝关节控制方法的实际应用进行探讨。
通过案例分析、实验验证等方法，评估所提出方法的有效性和实用性，为假肢技术的进一步推广和应用提供有力支持。
下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究是一项具有重要意义的研究工作。
本文将从理论到实践，全面、深入地探讨相关技术和方法，以期为推动假肢技术的发展和应用做出积极贡献。
二、下肢运动模式识别方法下肢运动模式识别是动力型假肢膝关节控制中的关键环节，其目的在于准确捕捉和识别用户的运动意图，为假肢提供合适的辅助力量。
当前，下肢运动模式识别方法主要可以分为基于生物力学特征的方法和基于机器学习方法两大类。
基于生物力学特征的方法主要依赖于对人体运动学参数的测量和分析。
例如，通过分析步态周期中的关节角度、角速度、加速度等参数，可以提取出不同运动模式下的特征值。
生物医学工程技术研究新成果近年来，生物医学工程技术的研究取得了许多新成果，其中一些成果的应用已经能够在临床实践中得到广泛使用。
以下将介绍其中几项值得关注的技术进展。
1. 仿生智能假肢人工智能和生物医学工程技术的结合已经应用于许多领域，比如仿生智能假肢。
仿生智能假肢采用尖端的传感技术和智能控制系统，能够模拟自然肢体的行动方式，让用户实现更自然的肢体运动，从而提高其生活质量。
目前，一些顶尖研究机构和企业已经推出了升级版的仿生智能假肢，其控制系统更加智能化，能够对人体运动进行更细致、更精准的掌控。
此外，这些假肢还具有更加逼真的外形和触感，能够更好地融入用户的生活中。
2. 高通量细胞筛查技术高通量细胞筛查技术是一项极具前景的生物医学工程技术。
该技术基于微处理芯片和自动化仪器等高科技设备，能够高效率、高通量地进行细胞分析、药物筛查和基因研究等工作。
借助高通量细胞筛查技术，科研人员能够更快、更准确地掌握细胞的特性、功能以及其与疾病相关的信息，从而为新药研发和疾病治疗提供重要支持。
3. 范德华纳力场技术范德华纳力场技术是一种新兴的计算力学技术，可用于模拟蛋白质、药物分子等生物分子的结构、电荷分布、能量交互等性质。
该技术具有高精度、大通量、多任务并行处理等优点。
通过利用范德华纳力场技术，科研人员可以更好地理解蛋白质、药物分子、病毒等生物分子的结构和活性机制，为药物研发和疾病诊治提供基础性支持。
4. 神经形态学检测技术神经形态学检测技术是一项新兴的生物医学工程技术，旨在通过对神经元的结构、形态、连接方式等特征进行定量测量来研究神经系统的结构和功能变化。
利用神经形态学检测技术，可以更好地理解神经元的结构和连接方式，揭示神经系统的编码机制、学习和记忆、神经退化疾病等问题，为神经系统相关疾病的预防和治疗提供基础性支持。
5. 纳米技术在生物医学中的应用纳米技术是一项具有广泛应用前景的技术，其在生物医学领域中的应用也越来越广泛。
机械工程中的生物力学研究引言：机械工程与生物学的结合，促进了生物力学在工程领域的研究与应用。
本文将探讨机械工程中的生物力学研究，以及对于人类生活的影响和应用领域的发展。
第一部分：生物力学的定义和意义生物力学是研究生物体运动过程中的力学原理的学科。
它结合了力学、解剖学、生物力学和工程学等多个学科的理论与方法，旨在揭示生物体在各种力作用下的运动、变形和稳定性等现象。
生物力学在机械工程中具有重要的意义。
它可以帮助机械工程师更好地理解和模拟人体运动，为设计和优化机械结构提供基础数据和指导。
同时，生物力学的研究成果也可以应用于医疗器械的设计和康复工程等领域，为人类的生活和健康带来积极的影响。
第二部分：生物力学在人体运动分析与仿真中的应用生物力学在机械工程中的一个重要应用领域是人体运动分析与仿真。
通过建立生物力学模型和运动捕捉技术，研究人体骨骼、关节和肌肉等机械结构的运动特性，可以精确测量和分析人体运动，为运动医学、体育训练和人机交互等领域提供科学依据。
以跑步为例，研究者可以通过使用运动捕捉系统来记录运动员的步态数据，结合生物力学模型进行运动分析。
通过分析双腿的步频、步幅和脚着地方式等参数，可以了解运动员的跑步技术和潜力，为制订个性化的训练计划提供参考。
第三部分：生物力学在人工器官和假肢设计中的应用生物力学的研究成果在人工器官和假肢设计中也具有重要的应用价值。
例如，通过研究肌肉和关节等生物力学特性，可以改进人工臂、腿等假肢的设计，使其更符合人体运动的要求，提高使用者的运动效率和舒适度。
此外，生物力学的研究还可用于人工心脏和人工骨骼等器官的开发。
通过模拟人体的生物力学环境，研究者可以评估人工器官与生物体的相容性和适应性，优化设计，提高器官的生物力学性能和使用效果。
第四部分：生物力学在康复工程中的应用生物力学在康复工程中也发挥着重要作用。
通过研究运动与康复的关系，机械工程师可以设计和制造出适用于康复训练的机械装置和辅助设备。
运动生物力学研究运动力学和生物力学在康复中的应用运动生物力学是研究人体运动过程中所受到的各种力学效应和生物效应的学科。
它集合了运动力学和生物力学两个方向的研究内容，并将其应用于康复领域。
本文将探讨运动力学和生物力学在康复中的应用。
一、运动力学在康复中的应用运动力学是研究物体运动状态及其原因和规律的科学。
在康复领域，运动力学可以用于分析人体运动的机制，为康复训练提供科学的依据。
1. 分析步态步态分析是康复过程中的重要环节。
通过运动力学的分析，可以评估患者的步态缺陷，并找到合适的康复训练方法。
例如，对于瘫痪患者，运动力学可以帮助康复师分析其步态异常，并设计针对性的康复训练方案。
2. 评估关节运动运动力学可以通过测量关节活动范围、关节角度和关节力量等参数，对患者的关节功能进行客观评估。
这对于康复师来说是至关重要的，它能帮助康复师了解患者的康复进展，并进行针对性的调整。
3. 模拟运动训练通过运动力学的模拟技术，可以在虚拟环境中进行运动训练。
这对于某些需要高强度运动训练的患者来说是尤为重要的，比如脊柱损伤患者的康复训练。
通过模拟训练，患者可以进行安全、有效的运动，提高康复效果。
二、生物力学在康复中的应用生物力学是研究生物体力学性能和机能的学科。
在康复领域，生物力学可以通过研究人体的生物结构和生物材料，提供支持康复治疗的理论依据。
1. 提供生物材料生物力学可以提供各类生物材料，如人工关节和假肢等。
这些生物材料可以用于康复治疗，帮助患者恢复运动功能。
例如，对于截肢患者，合理选择假肢材料和设计可以提高其步行能力和生活质量。
2. 优化康复辅助器具生物力学可以通过分析患者的运动机制，优化康复辅助器具的设计。
比如针对脊柱损伤患者，生物力学分析可以帮助设计出适合患者使用的脊柱固定器，提高其活动的稳定性和安全性。
3. 评估人体生理负荷生物力学可以通过测量人体的生理负荷，评估康复训练对于患者的生物效应。
通过合理调整康复训练的强度和频次，可以使康复治疗更加有效。
生物力学研究在医学和运动科学中的应用概述：生物力学是研究机体运动和机械效应之间相互作用的学科，具有广泛的应用领域。
本文将探讨生物力学研究在医学和运动科学中的应用，以及它对健康和康复的重要意义。
一、医学领域中的生物力学研究生物力学在医学领域中的应用包括骨科、神经学、康复医学等多个领域。
例如，通过运用生物力学的原理，可以研究骨折愈合的过程。
了解骨骼受力情况以及相关生物力学参数可以帮助医生更好地选择适当的治疗方案。
此外，生物力学研究还可以帮助改善假肢、义肢等医疗器械的设计和使用效果，提高残疾人的生活质量。
二、生物力学在运动科学中的应用生物力学在运动科学中的应用非常广泛，涉及到运动训练、运动损伤预防和康复等多个方面。
例如，通过研究运动员的运动技术、力量和柔韧性等因素，可以为他们设计个性化的训练计划，提高运动表现。
生物力学还可以帮助预测运动员受伤的风险，从而采取相应的预防措施。
在运动损伤康复方面，生物力学的研究可以帮助恢复训练的制定和评估，加速受伤组织的修复过程。
三、生物力学研究对健康和康复的意义生物力学研究在医学和运动科学中的应用对健康和康复具有重要意义。
首先，通过了解机体运动时的生物力学特征，可以帮助医生和运动科学家更好地理解人体运动机制，挖掘运动潜能，发展科学有效的康复和训练方法。
其次，生物力学研究可以准确评估人体运动的负荷和损伤风险，帮助制定安全合理的运动计划，预防和降低运动损伤的发生。
再者，生物力学研究也促进了医疗器械的发展和改进，改善病人的生活质量。
结论：生物力学作为一门综合性学科，其在医学和运动科学中的应用不可忽视。
通过生物力学研究，可以为医生和运动科学家提供更全面、客观的数据支持，改善治疗和训练方案，提高健康和康复的效果。
未来，生物力学研究还有着更广阔的应用前景，将为人们的健康和运动带来更大的益处。
实习单位：假肢厂实习时间：2022年6月1日至2022年6月30日实习内容：在假肢厂实习期间，我主要参与了假肢的设计、制作、测试和评估等环节。
在导师的指导下，我学习了假肢的基本原理、构造和制作工艺。
此外，我还参观了假肢的临床试验，了解了假肢在不同患者身上的应用情况和效果。
实习过程：1. 学习假肢的基本原理和构造：在实习初期，我通过阅读资料和请教导师，了解了假肢的工作原理和构造。
假肢主要由基座、支架、关节和附件等部分组成，其工作原理是通过模拟人体的生物力学原理，使患者能够恢复部分肢体功能。
2. 参与假肢的制作：在掌握了基本知识后，我开始参与假肢的制作过程。
制作假肢需要精确的测量和精湛的工艺。
我学会了如何根据患者的身体尺寸和需求制作合适的假肢，并了解了各种材料的性能和应用。
3. 参与假肢的测试和评估：制作完成后，我参与了假肢的测试和评估工作。
通过模拟实际使用场景，测试假肢的稳定性和耐用性。
我还学习了如何根据测试结果对假肢进行调整和改进。
4. 参观临床试验：在实习期间，我有机会参观了假肢的临床试验。
观察了患者在使用假肢过程中的表现和反馈，了解了假肢在不同病情和需求下的应用效果。
实习收获：1. 专业知识：通过实习，我深入了解了假肢的基本原理、构造和制作工艺。
这些知识对我今后从事相关工作奠定了基础。
2. 实践技能：参与假肢的制作、测试和评估过程，提高了我的动手能力和实践技能。
我学会了如何将理论知识运用到实际工作中。
3. 生物伦理观念：在实习过程中，我认识到假肢制作和应用过程中涉及到的伦理问题。
学会了如何尊重患者隐私、关爱患者，并遵循相关伦理准则。
4. 团队协作：在实习过程中，我学会了与同事、导师和患者有效沟通，提高了团队协作能力。
通过在假肢厂的实习，我对假肢行业有了更深入的了解，收获了宝贵的实践经验。
在今后的学习和工作中，我将继续努力提高自己的专业素养，为患者提供更优质的假肢服务。
同时，我也将关注假肢行业的的发展，为行业发展贡献自己的力量。
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在医学、体育科学、生物工程等多个领域中具有重要意义。
通过深入理解人体下肢的运动机制、力量传递和应力分布等，可以有效预防和治疗运动损伤，提高运动表现，并推动假肢、矫形器等生物医学工程领域的发展。
多体动力学和有限元方法作为现代力学分析的重要工具，为研究人体下肢生物力学提供了有效的手段。
本文将基于多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行研究。
二、多体动力学在人体下肢生物力学中的应用多体动力学是一种研究复杂系统运动规律的方法，适用于描述人体这种多关节、多肌肉驱动的复杂系统。
通过多体动力学模型，我们可以模拟人体下肢的运动过程，分析关节力矩、肌肉力等生物力学参数。
在人体下肢生物力学研究中，多体动力学模型可以根据人体解剖学数据和运动学数据建立。
通过该模型，我们可以分析不同运动状态下，如行走、跑步、跳跃等，人体下肢的关节角度、角速度、力矩等运动学参数。
同时，结合肌肉力学模型，可以进一步分析肌肉的收缩力和松弛力等生物力学参数。
三、有限元方法在人体下肢生物力学中的应用有限元方法是一种用于求解复杂工程问题的数值计算方法。
在人体下肢生物力学研究中，有限元方法主要用于分析人体下肢的应力分布、骨折愈合过程等问题。
通过建立人体下肢的有限元模型，我们可以模拟不同运动状态下的人体下肢受力情况，分析骨骼、肌肉、关节等部位的应力分布。
此外，有限元方法还可以用于模拟骨折愈合过程，分析骨折部位的应力变化对骨折愈合的影响。
四、多体动力学与有限元方法的结合应用多体动力学和有限元方法在人体下肢生物力学研究中各有优势，将两者结合使用可以取得更好的效果。
通过多体动力学模型，我们可以得到人体下肢的运动学参数和生物力学参数，为有限元分析提供输入数据。
而有限元分析的结果则可以验证多体动力学模型的准确性，并进一步揭示人体下肢的应力分布和损伤机制。
五、结论本文基于多体动力学和有限元方法对人体下肢的生物力学进行了研究。
・４０・史垦壁塞塑堡量塞壁！！！！生！旦箜！！堂筮！塑竺垒ｉ垒』墨！垒！塑！！！竺！！里！！生：』！！：！！！！！∑！！：！！！盟！：！生物力学用于假肢性能评价的研究进展赖卿ｈ２，曹学军１’２・综述・［摘要］生物力学研究方法用于假肢性能评价的方法主要有接受腔／残肢界面应力测试，接受腔计算机辅助设计制造，有限元分析在假肢研究中的应用，假肢三维刚体动力学模型的应用，假肢步态分析、足底受力系统等的应用，并对未来假肢接受腔设计系统的特点进行展望。
［关键词］生物力学；假肢；计算机辅助设计制造；有限元Ｉ综述ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎＰｒｏｓｔｈｅｓｅｓ＂ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＵｓｉｎｇＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌＭｅｔｈｏｄ（ｒｅｖｉｅｗ）ＬＡｆＱｉｎｇ，ＣＡｏＸｕｅ－ｊｕｎ．ＣａｐｉｔａｌＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｂｅ巧ｉｎｇＣｈａｒｉｔｙＨｏｓｐｉｔａｌ，ＣｈｉｎａＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００６８，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｓｔｕｄｙｍｅｔｈｏｄｓｉｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｃｋｅｔ—ｌｉｍｂｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｒｅｓｓｔｅｓｔ，ｓｏｃｋｅｔｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ３Ｄ－ｒｉｇｉｄｂｏｄｙｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌ，ｇａｉｔａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｆｏｏｔｐｌａｔｅｆｏｒｃｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｅｓ；ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ；ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｒｅｖｉｅｗ［中图分类号］Ｒ４９６［文献标识码］Ａ［文章编号］１００６—９７７ｌ（２０１０）Ｏｌ一００４０—０２［本文着录格式］赖卿，曾学军．生物力学用于假肢性能评价的研究进展ＥＪ３．中国康复理论与实践。
・综述・生物力学用于假肢性能评价的研究进展赖卿1,2,曹学军1,2[摘要]生物力学研究方法用于假肢性能评价的方法主要有接受腔/残肢界面应力测试,接受腔计算机辅助设计制造,有限元分析在假肢研究中的应用,假肢三维刚体动力学模型的应用,假肢步态分析、足底受力系统等的应用,并对未来假肢接受腔设计系统的特点进行展望。
[关键词]生物力学;假肢;计算机辅助设计制造;有限元;综述E valu ation in Prostheses’Perform ance Using Biomechanical Method(review)L A I Qing,CA O X ue2j un.Ca pital Medical Universit y School of Rehabilitation Medicine,B ei j ing Charit y Hos pital,China Rehabilitation Research Cent re,B ei j i ng100068,China Abstract:The gradually developing study methods included the application of socket2limb interface stress test,socket computer aided design and manufacture,finite element method,the building of prosthesis3D2rigid body kinetic model,gait analysis,and the footplate force system.K ey w ords:biomechanics;prosthesis;computer aided design and manufacture;finite element method;review[中图分类号] R496[文献标识码] A[文章编号] 100629771(2010)0120040202[本文著录格式] 赖卿,曹学军.生物力学用于假肢性能评价的研究进展[J].中国康复理论与实践,2010,16(1):40—41.假肢接受腔是将假肢连接到残肢的重要部件,其设计的合理性直接影响假肢使用的舒适性和方便程度。
在临床上,接受腔需要假肢矫形师针对使用者的具体情况进行个体化设计。
一个功能性、舒适性都满足要求的假肢往往要在使用者反馈其使用效果和使用后进行评测的基础上,经过一定修改(有时要修改多次)才能得到。
现有的大量研究表明,残端和接受腔接触面上的应力分布是影响接受腔设计的关键因素[1]。
自1954年以来,研究者们陆续建立了多种测量残端/接受腔接触面应力分布的实验方法,为了解残端和接受腔接触面上的应力分布起到了重要的作用。
但这些实验方法必须针对已成型的接受腔模型;同时,测到的结果往往只是个别部位的应力分布,而无法得到整体的信息,因此无法用实验方法对个体化接受腔设计的效果进行直接预测。
从上世纪80年代开始,计算机辅助设计制造(computer2 aided design/computer2aided manufacturing,CAD/CAM)技术开始应用于接受腔的设计中,优化设计的接受腔并非简单地以残肢为模板,而必须根据功能性和舒适性的要求进行形状修正(socket rectification)。
数字仿真可以较好地克服实验方法的局限,有限元法是目前普遍应用的分析方法[2]。
但由于有限元建模是一个相对繁杂的过程,目前的研究停留在基础性的机理研究阶段,还难以直接应用于面向患者的假肢接受腔的CAD/ CAM中[324]。
1接受腔/残肢界面应力测试接受腔/残肢界面应力测量数据的首次报道是在20世纪50年代,其测量方法是用装满空气的传感器采样相对较大的面积(25cm2)。
虽然在人体/支撑面之间应力测量使用的传感器有很多种,关于接受腔应力分布的报道却很少,尤其对大腿残肢的应力分布更缺乏可参考的数据。
在现有的资料中,Appoldt 和Bennett使用微小的压力传感器结合附有4个半导体应变片作者单位:1.首都医科大学康复医学院,北京市100068;2.中国康复研究中心康复工程研究所,北京市100068。
作者简介:赖卿(19852),女,江西赣州市人,硕士研究生,主要研究方向:康复工程学。
通讯作者:曹学军。
的压力敏感薄膜来测量大腿接受腔/残肢界面的应力分布。
Lee等应用了一种嵌入接受腔壁的传感器,这种传感器和接受腔内表面紧密结合,不会增加附加厚度,从资料显示来看,其测量精度相对较高,是一种新型的测量方法[5]。
2接受腔CAD/CAM假肢接受腔的CAD/CAM早在20世纪60年代的早期就已经提出了。
然而,世界上第1个这样的系统一直到1983年才在英国伦敦大学学院(University College London,UCL)、加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia,UBC)等大学的合作下面世[6]。
研究残肢参数模型以及接受腔和残肢界面压力分布规律,建立假肢适配性评价准则,使接受腔CAD/ CAM能够完全不依赖于假肢技师经验自动修型,是假肢接受腔研究的热点和难点[7]。
CAD/CAM系统应用的优点首先在于提高了假肢矫形师们的效率,因为在传统的工艺中,修形必须在阳模完成之后;而在CAD/CAM系统中,一旦扫描得到残肢形状,即可进行修形。
CAD/CAM系统的另一个优点在于显著降低了成本,因为它省去了许多中间取模的过程。
但值得注意的是,许多假肢师仍然倾向于使用传统的设计方法[8]。
因此,最理想的状态就是在现有的CAD/CAM中增加一个判断系统,能在接受腔成型之前就预测它的合理性,并能对接受腔的修整提供指导性意见或更进一步的定量化参数[9]。
这首先需要建立起评价接受腔合理性的方法。
尽管当前的CAD/CAM系统可以较为准确地得到残肢的外轮廓形状,但优化设计的接受腔绝不完全以残肢为模板,而是能以得到理想的表面应力分布模式为目标[10]。
因此,首先必须了解在各种因素作用下,残肢表面的应力分布(包括压力和剪应力),软组织内部应力分布以及滑移、摩擦以及骨与接受腔之间的相对位移等,其中残肢表面的压力分布往往是假肢师们所最关心的。
研究方法包括两大类:实验研究和数字仿真。
3有限元分析有限元法是固体力学中的一种重要方法,其原理是把连续系统转变为离散型的结构,即先将物体假想地分成(离散化)诸多子单元,各个单元是由结点联系在一起的;再对每个单元用结点未知量来近似表示单元内部的各种位置量,从而将每个单元对整体的影响和贡献转化到各自单元的结点上;随后将这些单元总装成一个整体,并使它们满足整个物体的边界条件和连续条件,从而得到一组有关节点未知量的方程组;通过求解方程组,就可以求得物体内部各点所要求的各种物理量;单元内部物理量通过单元各节点内插来得到。
随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们开始大量使用数值模型和有限元法分析复杂的结构,三维有限元分析方法也逐渐成为生物力学分析的重要手段。
有限元法的关键是模型的建立,模型的几何相似性、力学相似性、网格的划分直接影响计算的结果[8]。
有限元法具有以下优点:①研究范围广,对于各种复杂结构(外形、载荷条件或边界条件)均可以进行力学分析;②可以给出数值解,结构模型内任意一点的应力/应变情况都可以用列表或梯度线图直观地显示出来;③具有灵活的分析能力,根据研究对象的特点,可以灵活、方便地改变载荷或边界条件,增强了分析的适用范围。
尽管有限元法具有上述优点,但其结果仍为一近似解,因此有限元法也和其他方法一样,其结果需要与临床实践或实验分析相结合加以综合考虑,互相印证。
有限元分析作为一种辅助方法被应用到下肢植入式骨整合假肢研究中,其主要应用包括下面两点:①分析种植体上的应力分布,优化种植体的形状;②分析下肢种植体植入时骨上的初始应力分布,并将应力分布情况和组织学观察的结果进行对照分析,研究初始应力对下肢植入式骨整合假肢的影响[11]。
4假肢三维刚体动力学模型通过建立三维刚体动力学模型,将接受腔与残肢简化为刚性连接,无相对滑动和转动,建立三维动力学方程对接受腔受力进行计算分析[12214]。
目前已有实验室成功应用并计算分析出下肢截肢患者穿戴假肢对其残端生物力学的影响。
运用数学建模的方法对假肢及假肢部件生理力线分析,使患者下肢生物力学性能总体达最优,获得稳定良好的步态,成为临床假肢装配和适用性能是否优越渐趋成熟的理论依据。
5假肢步态分析、足底受力系统随着计算机的广泛应用及其软件系统的开发,各种先进的假肢步态分析、足底受力系统、残肢/接受腔界面压力系统应用于临床分析评价假肢功能[15]。
瑞典Q TM步态分析系统选择患者左右侧踝关节、膝关节和大转子等解剖位置作为运动标志点分析确定下肢矢状面运动规律;美国A TMI力台可以同步采集双侧三维足底地面反力;德国Novel系统测量残肢与接受腔界面压力。
选取代表下肢运动生物力学特性的3个参数讨论假肢对线设置的综合影响:以膝关节力矩反映膝关节的活动能力和消耗,以步态对称性表示步行外观恢复程度,以残端压力反映穿戴假肢的舒适程度。
用科学定量的数据分析不断指导临床假肢的适配,提高效率与精确度。
6总结与展望假肢接受腔的设计是下肢假肢设计中最重要、同时也是最困难的部分,它将直接影响载荷传递的合理性,从而决定佩戴假肢的舒适度和可控性[16]。
尽管CAD/CAM系统、有限元分析法、数学建模法在假肢装配与适用中的应用提高了假肢矫形师们的效率,一些传统的过程可因此而省略,但假肢的合理性仍依赖于假肢矫形师的个人经验和技能。
本文总结了假肢性能评价的几种生物力学研究方法,为开发世界上第一个可直接应用于临床的接受腔生物力学性能评价系统作出了探索[17219]。
对于未来假肢接受腔设计系统的特点展望,可总结如下:①评价准则的确定和专家系统的建立将使接受腔设计更智能化、标准化:迄今为止,假肢评价准则还没有建立,这需要积累大量的病例,从统计分析中得到;可以预见,确定了相应的评价准则,将使专家系统的建立成为可能,未来的设计系统将能根据残肢的形状和皮肤的状态直接建议接受腔形状;②有限元模型的改进将使得到的应力分布更接近于真实:为了保证临床的可行性,现研究对一些因素做了简化,比如软组织的非线性、接触面的滑移和摩擦等,随着计算机技术的发展和对这些因素的更深刻理解,未来的有限元模型将更为合理有效,因而得到的应力分布更真实,设计者们能得到更多、更准确的信息;③基于网络的接受腔设计将更快捷、经济:未来的数据库将集成日常事务管理的功能,同时它将能通过网络与各医院、中心以及相关的研究单位数据库相联,通过建立一些公认的标准和协议实现资源共享,使假肢设计能在远程进行,从而更加经济、快捷[20]。
