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基于术后髋骨CT数据重建个性化骨肌多体动力学模型及步态仿真
背景:髋骨体内受力复杂,需要更高效、准确的方法进行有限元分析.目的:构建与患者术后髋骨相对应的个性化骨肌多体动力学模型并进行步态仿真,探究患者术后髋骨的生物力学行为.方法:根据患者术后髋骨CT数据,在MIMICS中进行三维重建,在Geomagic Studio完成实体化和位置匹配并在 Hypermesh 中网格化.利用 AnyBody 软件建立患者个性化骨肌多体动力学模型,模拟正常人平地行走时的动作,导出髋骨在整个运动过程中受到的肌肉力、关节力和关节力矩,将导出的数据作为有限元分析的边界条件,在软件Abauqus上计算步态过程中髋骨受到的应力、应变的大小及其集中部位.结果与结论:①关节力在2.1 s时,髋关节3个方向关节力的大值分别为600,2000,100 N;②髂骨关节几乎只有在Y方向受力,大值为1000 N;③髋关节所受大应力在30%步态周期处约为12 MPa,大相对位移为0.5 mm;④结果表明,患者术后髋骨所受应力较大的部位主要集中在骶髂关节附近、髋臼后上方、髂骨中央、耻骨上方,术后髋骨所受应力较正常髋骨偏大,患者在康复过程中应注意活动强度.
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全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真
目的 构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为.方法 以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件AnyBody及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟.通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力.结果 模型预测的胫骨-股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值大值为250 N.模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致.此外,模型预测的胫骨-股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°～47°、-3.4°～1.5°、0.2°～-1.5°,胫骨-股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6 ～9.0 mm、1.6～3.2 mm、4.2～5.2 mm.模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其大值分别为190、108、108 N.结论 所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台.
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膝骨性关节炎合并内翻畸形患者运动特征研究
为研究膝骨性关节炎合并内翻畸形患者术前生物力学群体特征,用于比较患者术前术后步态延续性及进行术后康复指导,本文采集9例患者水平行走和坐立-起身过程的步态,并进行骨肌多体动力学分析.本文研究结果显示,水平行走时试验组下肢运动功能减弱,试验组非手术侧膝关节平均活动范围为22.5°～ 71.5°,拟置换侧膝关节平均活动范围为24.4°～57.6°,而对照组膝关节平均活动范围为7.2°～62.4°.单侧膝内翻患者完成坐立-起身过程时的下肢地面反作用力对称度介于0.72～ 0.85,非手术侧下肢起主要支撑作用.双侧膝内翻患者坐立-起身时地面反作用力之和小.尽管单侧膝内翻患者采用非手术侧下肢过量负载的代偿方式能完成术后日常活动,但长期过量负载容易增加非手术侧下肢膝关节罹患膝骨性关节炎风险.对膝骨性关节炎合并内翻畸形患者完成日常活动的运动学和生物力学特征进行研究,有助于从生物力学角度理解内翻膝的发病机制,对患者的术前评估、预防和术后恢复具有较强的临床指导意义.
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老年与青年下肢关节生物力学特征研究
目的 应用三维步态分析系统评估日常活动中老年人与青年人的差异性,分别为其提供针对性的日常生活指导.方法 老年组10例健康老年人,其中男3例,女7例;年龄平均(69±12.42)岁.青年组10例健康青年人,其中男6例,女4例;年龄平均(26.29±2.29)岁.应用Vicon运动分析系统与骨肌多体动力学软件比较运动学和动力学参数.结果 老年组水平行走时步行周期较青年组增大,跨距减小(P<0.01).水平行走过程中老年组个体间差异较大(P>0.05),老年组的踝关节合力峰值大于青年组(P<0.05).结论 三维步态分析在指导老年人日常生活保护有较好的实用价值.老年人应适当增加运动锻炼,可行步态矫正训练与矫形鞋垫等超早期干预.
