人体足踝步态分析及跟骨骨折力学研究
发布时间：2021-11-10 13:27
步态分析主要是指从运动学和力学的层面对足踝步态进行理论研究和模拟仿真,从而为研究人体运动提供一定的理论指导和学理支撑。针对足踝在运动过程中各组织受力及力传递复杂的问题,本文以足踝为研究对象,建立足部骨骼模型,通过步态运动介绍、逆向工程技术、Opensim仿真以及有限元仿真对足部运动及其力学功能进行了理论分析与仿真研究,并根据探究结果针对跟骨及骨折模式的治疗做进一步分析。本文的主要研究内容及结果如下:（1）足踝步态介绍及运动学分析。通过对足踝骨肌系统的简介,步态分析流程和周期的研究以及踝关节活动方式的研究,建立系统坐标,并以此为基础结合步态理论研究进行运动学分析。（2）足踝骨肌模型的逆向重建。以计算机断层成像理论为依据,进行研究对象的数据采集和处理,生成足部医学图像,并根据逆向工程技术,通过MIMICS软件对足踝模型进行逆向建立,同时根据表面处理技术,利用Geomagic Warp软件对腿足模型做精细化处理。（3）足踝行走、跑步和跌落的步态研究。利用人体运动仿真软件Opensim对人体正常行走、跑步和高处跌落等步态展开研究,生成步态变化的一系列曲线,根据研究结果结合骨肌建模仿真基本原理,...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
足踝部组织构造Fig.1.1AnkleandTissueStructure
括内部结构，但是很难保证切片同等厚度且工作量较大，可能会使数据结果产生误差甚至错误。③几何建模法。这种方法针对形状比较规则，可以进行参数化建模的物体能够达到非常好的效果，但是在足踝骨骼研究方面由于骨骼形状复杂，无法准确的捉捕其参数特征。④图像处理。这种方法是通过CT扫描得到模型的二维数据图像，但需要人工识别和操作，操作量较大且难免会产生定位方面的错误。⑤CT逆向重建。这种方法是通过CT扫描后得到模型数据，它既保证了模型结构的准确性又方便快捷，非常适用于人体骨骼这种形状结构不规则的模型。如图1.2所示是通过逆向重建得到的股骨模型。图1.2逆向重建的股骨模型Fig.1.2Femoralmodelofreversereconstruction（2）足踝生物力学仿真分析目前数字化医疗中足踝生物力学仿真分析的主要方法是通过健康的组织来模拟衰老，病变或者发生突变断裂情况。通过有限元方法来仿真一些实际的运动状态，研究运动机理，或者是来模拟一些病变状态，来研究病变形成机理，通过分析和比较内外部因素对足踝产生的作用，研究足踝各组织产生变化时的应力、应变和位移变化，包括各关节面的接触变化、各组织见应力传递、外界产生的接触反应等，通过这些变化量来研究和探讨足踝在临床上的出现的各类难题。如图1.3所示是考虑穿高跟鞋后不同的步态周期对足踝关节和韧带产生的影响[11]：
第1章绪论3（a）后跟着地期（b）站立中期（c）蹬地阶段图1.3穿高跟鞋下的步态模拟Fig.1.3Gaitsimulationinhighheels（3）跟骨骨折研究目前研究过程中，对于跟骨骨折机制的研究主要有两种方法[12]：即实验分析法与理论分析法。实验分析包括尸体实验与动物实验，其中尸体实验仍被认为是生物力学研究的金标准，但是也存在很多缺陷如：实验的标本、手段、资本、时间、效率等条件比较苛刻，而且无法反映不同受力情况下足踝内部各部位的应力传递机制，并且不能模拟受伤的动态过程；动物实验标本获取相对容易，但是实验结论无法推论到人。而理论分析可克服上述缺点，通过图像建立人体模型，进行相应的分析仿真。尤其是近年来随着科技的提高，越来越多的人通过有限元法对足踝进行研究，并取得了一定的进展，但许多研究仍然存在结构等方面的缺陷。而对于跟骨的三维模型建立及生物力学分析的实验研究在文献中报道也不多，其骨折机制以及分型多种多样，因此至今未形成一致的意见。1.2.2研究意义人体足踝步态的研究，属于交叉学科领域，涉及了运动学、力学、机械学、人体生理学、数学、医学等众多学科领域，其相关研究在康复工程、助力行走、足部医疗、体育训练等领域均具有重要的科学意义与应用价值。（1）康复工程利用很多技术和方法分析人体足踝结构特征和运动机理，研制出促进人体恢复的器械或辅助人体康复的相关产品。如图1.4所示为典型的一种踝足矫形器（AFO）——一种戴在小腿和脚上的支撑器，用于支撑踝关节，将脚和踝关节保持在正确的位置，并纠正脚的跌落。图1.5是设计的足底测力鞋垫，在研究和临床设置中通常使用鞋内压力测量装置来量化足底压力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锁定、解剖钢板固定SandersⅡ跟骨骨折稳定性的有限元分析[J]. 何凯,张金花,杨物鹏,付苏,吴建群,高晓宇. 生物骨科材料与临床研究. 2018(03)
[2]足部结构有限元模型的建立与应用[J]. 宋雅伟,尤传豹,于文兵. 中国组织工程研究. 2016(29)
[3]足踝步态模拟机运动学和动力学分析[J]. 冯洋,王冬梅,刘安民,王旭. 机械设计与研究. 2016(02)
[4]交叉螺钉与钢板内固定治疗Sander Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析[J]. 倪明,牛文鑫,梅炯. 医用生物力学. 2015(06)
[5]基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J]. 宋和胜,钱竞光,唐潇. 医用生物力学. 2015(04)
[6]足踝步态模拟机设计与运动特性分析[J]. 冯洋,王冬梅,刘安民,王旭. 机械设计与制造. 2014(08)
[7]《足踝外科学精要》[J]. David B.Thordarson,张建中. 足踝外科电子杂志. 2014(01)
[8]人体上肢外骨骼仿生结构及动作特征分析[J]. 韩光耀,周国政. 电子制作. 2013(24)
[9]跟骨三维有限元模型的建立及其骨折发生机制[J]. 黄诸侯,李俊,陈日齐,杜景文,张建新. 中国骨伤. 2012(02)
[10]足部三维有限元建模方法及其生物力学应用[J]. 张明,张德文,余嘉,樊瑜波. 医用生物力学. 2007(04)
博士论文
[1]下肢和脚踝并联康复机器人及其控制理论与技术研究[D]. 孟伟.武汉理工大学 2016
[2]Sanders Ⅱ型及Ⅲ型跟骨骨折三维有限元模型建立及不同内固定方法力学稳定性的有限元分析[D]. 何凯.南方医科大学 2015
[3]跟骨骨折的有限元分析[D]. 王一民.南方医科大学 2013
[4]人体足部运动的有限元建模及其生物力学功能耦合分析[D]. 钱志辉.吉林大学 2010
[5]人体足踝系统建模与相关力学问题研究[D]. 陶凯.上海交通大学 2010
[6]数字化人体足踝部三维有限元模型的建立及分析[D]. 刘清华.南方医科大学 2010
[7]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于OpenSim对短跑起跑后第一步下肢肌肉工作特点的研究[D]. 穆雪莲.北京体育大学 2019
[2]人体下肢骨骼肌建模及其运动仿真研究[D]. 黄将诚.兰州理工大学 2017
[3]髋骨的三维重建技术与生物力学仿真研究[D]. 罗伟.中北大学 2017
[4]基于人体仿生的机器人足踝部的设计与研究[D]. 张召.合肥工业大学 2017
[5]基于体感的机器人仿人动作模仿系统研究[D]. 唐勇.西华大学 2016
[6]直线驱动的仿人机器人足部设计及其性能研究[D]. 胡龙翔.合肥工业大学 2016
[7]基于OpenSim的人体下肢与康复机器人耦合仿真[D]. 黄磊.天津大学 2016
[8]人体足踝部三维有限元仿真模型的构建及验证[D]. 金乾坤.大连医科大学 2015
[9]人体足部步行运动仿真及机器人仿生足部研究[D]. 周福静.合肥工业大学 2014
[10]跨栏起跨腿跟腱生物力学仿真分析[D]. 李琳杰.上海体育学院 2014
本文编号：3487343
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
足踝部组织构造Fig.1.1AnkleandTissueStructure
括内部结构，但是很难保证切片同等厚度且工作量较大，可能会使数据结果产生误差甚至错误。③几何建模法。这种方法针对形状比较规则，可以进行参数化建模的物体能够达到非常好的效果，但是在足踝骨骼研究方面由于骨骼形状复杂，无法准确的捉捕其参数特征。④图像处理。这种方法是通过CT扫描得到模型的二维数据图像，但需要人工识别和操作，操作量较大且难免会产生定位方面的错误。⑤CT逆向重建。这种方法是通过CT扫描后得到模型数据，它既保证了模型结构的准确性又方便快捷，非常适用于人体骨骼这种形状结构不规则的模型。如图1.2所示是通过逆向重建得到的股骨模型。图1.2逆向重建的股骨模型Fig.1.2Femoralmodelofreversereconstruction（2）足踝生物力学仿真分析目前数字化医疗中足踝生物力学仿真分析的主要方法是通过健康的组织来模拟衰老，病变或者发生突变断裂情况。通过有限元方法来仿真一些实际的运动状态，研究运动机理，或者是来模拟一些病变状态，来研究病变形成机理，通过分析和比较内外部因素对足踝产生的作用，研究足踝各组织产生变化时的应力、应变和位移变化，包括各关节面的接触变化、各组织见应力传递、外界产生的接触反应等，通过这些变化量来研究和探讨足踝在临床上的出现的各类难题。如图1.3所示是考虑穿高跟鞋后不同的步态周期对足踝关节和韧带产生的影响[11]：
第1章绪论3（a）后跟着地期（b）站立中期（c）蹬地阶段图1.3穿高跟鞋下的步态模拟Fig.1.3Gaitsimulationinhighheels（3）跟骨骨折研究目前研究过程中，对于跟骨骨折机制的研究主要有两种方法[12]：即实验分析法与理论分析法。实验分析包括尸体实验与动物实验，其中尸体实验仍被认为是生物力学研究的金标准，但是也存在很多缺陷如：实验的标本、手段、资本、时间、效率等条件比较苛刻，而且无法反映不同受力情况下足踝内部各部位的应力传递机制，并且不能模拟受伤的动态过程；动物实验标本获取相对容易，但是实验结论无法推论到人。而理论分析可克服上述缺点，通过图像建立人体模型，进行相应的分析仿真。尤其是近年来随着科技的提高，越来越多的人通过有限元法对足踝进行研究，并取得了一定的进展，但许多研究仍然存在结构等方面的缺陷。而对于跟骨的三维模型建立及生物力学分析的实验研究在文献中报道也不多，其骨折机制以及分型多种多样，因此至今未形成一致的意见。1.2.2研究意义人体足踝步态的研究，属于交叉学科领域，涉及了运动学、力学、机械学、人体生理学、数学、医学等众多学科领域，其相关研究在康复工程、助力行走、足部医疗、体育训练等领域均具有重要的科学意义与应用价值。（1）康复工程利用很多技术和方法分析人体足踝结构特征和运动机理，研制出促进人体恢复的器械或辅助人体康复的相关产品。如图1.4所示为典型的一种踝足矫形器（AFO）——一种戴在小腿和脚上的支撑器，用于支撑踝关节，将脚和踝关节保持在正确的位置，并纠正脚的跌落。图1.5是设计的足底测力鞋垫，在研究和临床设置中通常使用鞋内压力测量装置来量化足底压力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锁定、解剖钢板固定SandersⅡ跟骨骨折稳定性的有限元分析[J]. 何凯,张金花,杨物鹏,付苏,吴建群,高晓宇. 生物骨科材料与临床研究. 2018(03)
[2]足部结构有限元模型的建立与应用[J]. 宋雅伟,尤传豹,于文兵. 中国组织工程研究. 2016(29)
[3]足踝步态模拟机运动学和动力学分析[J]. 冯洋,王冬梅,刘安民,王旭. 机械设计与研究. 2016(02)
[4]交叉螺钉与钢板内固定治疗Sander Ⅲ型跟骨骨折的有限元分析[J]. 倪明,牛文鑫,梅炯. 医用生物力学. 2015(06)
[5]基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J]. 宋和胜,钱竞光,唐潇. 医用生物力学. 2015(04)
[6]足踝步态模拟机设计与运动特性分析[J]. 冯洋,王冬梅,刘安民,王旭. 机械设计与制造. 2014(08)
[7]《足踝外科学精要》[J]. David B.Thordarson,张建中. 足踝外科电子杂志. 2014(01)
[8]人体上肢外骨骼仿生结构及动作特征分析[J]. 韩光耀,周国政. 电子制作. 2013(24)
[9]跟骨三维有限元模型的建立及其骨折发生机制[J]. 黄诸侯,李俊,陈日齐,杜景文,张建新. 中国骨伤. 2012(02)
[10]足部三维有限元建模方法及其生物力学应用[J]. 张明,张德文,余嘉,樊瑜波. 医用生物力学. 2007(04)
博士论文
[1]下肢和脚踝并联康复机器人及其控制理论与技术研究[D]. 孟伟.武汉理工大学 2016
[2]Sanders Ⅱ型及Ⅲ型跟骨骨折三维有限元模型建立及不同内固定方法力学稳定性的有限元分析[D]. 何凯.南方医科大学 2015
[3]跟骨骨折的有限元分析[D]. 王一民.南方医科大学 2013
[4]人体足部运动的有限元建模及其生物力学功能耦合分析[D]. 钱志辉.吉林大学 2010
[5]人体足踝系统建模与相关力学问题研究[D]. 陶凯.上海交通大学 2010
[6]数字化人体足踝部三维有限元模型的建立及分析[D]. 刘清华.南方医科大学 2010
[7]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于OpenSim对短跑起跑后第一步下肢肌肉工作特点的研究[D]. 穆雪莲.北京体育大学 2019
[2]人体下肢骨骼肌建模及其运动仿真研究[D]. 黄将诚.兰州理工大学 2017
[3]髋骨的三维重建技术与生物力学仿真研究[D]. 罗伟.中北大学 2017
[4]基于人体仿生的机器人足踝部的设计与研究[D]. 张召.合肥工业大学 2017
[5]基于体感的机器人仿人动作模仿系统研究[D]. 唐勇.西华大学 2016
[6]直线驱动的仿人机器人足部设计及其性能研究[D]. 胡龙翔.合肥工业大学 2016
[7]基于OpenSim的人体下肢与康复机器人耦合仿真[D]. 黄磊.天津大学 2016
[8]人体足踝部三维有限元仿真模型的构建及验证[D]. 金乾坤.大连医科大学 2015
[9]人体足部步行运动仿真及机器人仿生足部研究[D]. 周福静.合肥工业大学 2014
[10]跨栏起跨腿跟腱生物力学仿真分析[D]. 李琳杰.上海体育学院 2014
本文编号：3487343
本文链接：https://www.wllwen.com/yixuelunwen/waikelunwen/3487343.html
最近更新
教材专著
