人体下肢力学建模及仿真分析

中国矿业大学2014级硕士研究生选题报告选题名称：人体下肢力学建模及仿真研究学院：机电工程学院学科专业：机械设计及理论研究生姓名：林玉屏导师姓名：胡而已中国矿业大学学位管理办公室制2016年1月19日11课题题目人体下肢力学建模及仿真分析。2课题来源本论文的研究课题来源于国家自然科学基金项目(51275512)：《人工髋关节仿生试验装备动态特性及系统稳定性研究》。3选题背景及研究意义随着科学技术的进步，人类文明发展到一个新的时期[1]。生活水平的提高使人们越来越注重自身的健康和生活保健。工业的进步和技术的发展在一方面给人类带来便利和舒适，同时，在另一方面也给人类带来了内在和外在的伤害，由于肌体组织的病变、衰竭、老化或各种意外情况的伤害均对器官造成了破坏使其丧失原有功能。通过现代医学技术和设备替换人体病变或损伤组织器官，是临床验证的有效治疗途径[2]。目前临床上通常采用关节置换术来治疗晚期关节疾病和严重的骨折，例如股骨颈骨折、股骨头坏死，骨性关节炎、风湿及类风湿性关节炎、强直性脊柱炎等等，置换术主要目的是解除关节部位的疼痛、保持关节稳定、改善关节功能、调整双下肢长度。据统计，现在每年全世界仅全髋置换手术就有约50万例，而且该数字仍在增长[3-5]。在这些患者中大约有33%的人因为周期性的脱臼、关节疼痛等各种原因需要进行关节返修术，只有60%的患者能够完全消除以上症状[6]。因此，为了减少患者的痛苦，降低关节置换术的返修率，使患者重新获得堪比健康人体的日常活动能力，更加深入地了解人体下肢关节生物力学特性和人工关节的作用机理，以及提高关节假体测试试验机的性能是至关重要的。自上世纪70年代以来，人们利用多种方法和手段试图对人体生命系统进行深入细致的研究[6]。但由于人体的运动涉及到各个器官的综合作用，是一个极其复杂的控制过程，目前很多方面的特性仍不被人自身所了解。人体运动的研究涉及力学、解剖学、生理学等多种学科，生物力学便是应用力学基本原理和方法对生物体的运动和变形问题进行定量研究的学科[7,8]。按照研究对象的不同，生物力学可以分为生物固体力学、生物流体力学以及运动生物力学三个部分[9]。其中，运动生物力学是运用理论力学(静力学、运动学及动力学)的基本原理结合人体生理学、解剖学对人体的外在机械运动进行研究的学科[10]。它是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。运动生物力学的研究涉及机械学、生物学、生理学、力学、组织学等，具有多学科交叉的特点[11]，随着摩擦学、医学、生物技术、材料科学的快速发展，人类对运动生物力学的研究日益重视。2有关人体运动生物力学分析的研究中，以步态分析开展最为广泛，运用步态分析技术可以对步长、步频、时相与周期、关节角度、关节力等多种指标进行量化[12]。迄今为止，步态分析已经有100多年的历史，但是真正进入临床实验阶段只有10多年的时间。进行步态分析的意义在于：一方面可以通过对特定人群进行步态分析，建立具有区域特性的人体运动学数据库，从而为人工关节的设计提供参考依据；另一方面，在康复治疗中，通过定量分析患者步态参数，可以深入了解患者的康复状况，同时为优化治疗方案提供了实验基础[13,14]。从生物医学工程的角度考虑，人体运动生物力学研究的意义主要集中在以下几个方面：(1)通过对人体运动(通常是步态运动)进行分析研究，可以辅助医生对某些运动功能障碍疾病进行准确诊断，从而可以及时有效的预防疾病的发展或制定合适的治疗方案。另一方面，通过对人体在不同运动情况下的运动规律进行分析研究，可以深入了解人体的运动机理[15]，从而为运动创伤的预防提供理论依据。(2)由于仿真技术具有无创伤性及高效性，近年来被广泛应用于医学领域，比如通过建立人体关节模型，可以对关节在日常运动中的生物力学特性进行分析[16]，从而为人工关节的设计及优化提供依据。而人体运动分析技术在医学仿真研究中起着十分重要的作用[17]，仿真分析所需的力学、运动学、动力学参数均需要通过人体运动分析来获得。(3)通过现代医学技术和设备替换病变器官，使患者恢复器官机能。通过人体运动分析技术对患者的运动参数进行研究，并与健康人的数据进行对比分析，可以有效地评估患者的康复状况[18]。(4)通过对体育运动中的人体运动参数进行研究，可以指导运动员的日常训练，从而有效提高运动员的竞技水平。同时，通过人体运动生物力学分析还可以避免易导致身体伤害的运动形式。然而，虽然目前对人体运动生物力学的分析已开展了深入的研究，但是由于人体自身的复杂性以及研究条件的限制，目前的研究还存在一定的缺陷。主要表现在：(1)我国人体运动生物力学的研究起步较晚，有关国人下肢关节的运动数据不是很完善，因此临床上采用的人工关节产品大都依赖欧美进口，而这些产品是按照西方人的身体和运动特性设计的，不能很好的满足我国患者的需求[19]；(2)对于髋、膝关节的一些生物力学特性还存在一定的争议，有待深入了解，比如，对于骨关节炎的发病机理[20]、软骨的退化机制[21,22]、韧带修复的远期生物力学效果[23]等等；(3)由于磨损、松动、感染等原因导致的人工关节失效问题大大的限制了其使用[24,25]，需要从材料、造型等方面对目前的人工关节产品进行优化设计，以3降低摩擦磨损，延长使用寿命。针对以上所述问题，本文以人体下肢髋关节为主要研究对象，运用当今运动生物力学的先进研究方法及仿真手段，从生物学、力学的角度出发，通过对健康人及关节损伤患者的运动生物力学行为进行实验和仿真研究，为国人关节运动数据库的建立提供数据支撑，同时为深入揭示人体运动规律、运动创伤的预防和康复以及人工关节的优化设计提供理论支持。4人体下肢解剖结构人体是一个复杂的机构，由众多的骨骼、肌肉、韧带、神经等部分组成[26]。人体下肢是人体重要的承重和运动部分，下肢在人体前方以腹股沟、髂嵴前部与腹部分界，在后方以髂嵴后部与腰部分界，在内侧以股沟与会阴分界。下肢可分为臀部、股、小腿和足四部分。下肢由髋骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨和足骨组成[27]，包括人体最大的三个关节：髋关节、膝关节和踝关节[28]。本章主要介绍髋关节和膝关节的解剖结构。4.1髋关节的解剖结构髋关节是人体最大的负重关节，主要是由骨盆上的髋臼、股骨近端的股骨头以及圆韧带、软骨等一些软组织构成，属于典型的球窝结构[29]。它具有良好的内在稳定性，同时也有很大的活动性[30]。图1所示为髋关节的解剖结构图。髋臼位于骨盆外侧面中部，面向下、前外侧方，外展角约为40°-47°，前倾角约为4°-20°[31]，其大体为半球形，半径约15~25mm，被一层2mm左右的半月形透明关节软骨覆盖。髋臼窝位于髋臼内部最深处中间位置，表面没有软骨层，而是由哈佛腺充填[32,33]，在关节运动过程中，哈佛腺随着关节压力的变化吸入或排除关节液，从而使关节内压力始终处于平衡的状态。髋臼的关节面和曲率半径与股骨头的关节表面非常适应，股骨头完全被髋臼包围，这使得髋关节不可能产生平移运动。另外，在髋臼外缘有一层环形关节盂唇[34]，在一定程度上增加了髋臼的宽度和深度，从而可以将股骨头的大部分包容起来，提高髋关节的内在稳定性。4图1髋关节解剖结构图骨性结构所形成的约束性质使得髋关节很少需要韧带和软组织加固。髋关节的软骨主要位于关节的前面、侧面，包围了关节半球的三分之二左右。在生理负荷作用下软骨可均匀传递负荷，扩大关节负重面，减少接触应力，缓冲震荡，可以在关节面相对运动时把摩擦和磨损降低到最小限度[35]。股骨头上的软骨在中心处最厚，而髋臼内部的软骨在关节窝上部最厚，关节内软骨位置与髋关节所承担的负荷及预期的关节位移方向一致。另外，关节囊以及连接在骨盆和股骨头之间的数条韧带为髋关节提供了附加的被动约束，防止髋臼和股骨头之间的相对位移。对于髋关节来说，外展角和前倾角是两个重要的生理学和解剖学参数[36]，它们在髋关节的运动生物力学行为中起着非常重要的作用，长期的进化使得这两个参数能够很好的适应髋关节以矢状面运动为主的生物力学特性。其中，外展角的具体定义为髋臼球体中心轴与人体身体垂直轴所组成的夹角[37]。外展角与关节的稳定性之间有直接的联系，当骨盆绕身体横轴前倾角度为60°-70°时，外展角达到最大，此时股骨头被髋臼包围的面积也达到极值，因此髋关节最为稳定。而随着骨盆前倾角度的变化，不管是前倾增加还是减少，都会导致外展角变小。另一方面，前倾角的定义为身体矢状面与髋臼边缘开口所构成的平面之间的夹角[38]。前倾角在维持髋关节的弯曲稳定性方面起着一定的作用，一方面可以使髋关节具有较大的屈曲度，适合人类的直立运动形式；另一方面还可维持髋关节的稳定性。当髋关节在矢状面内做屈曲运动时，前倾角从上到下不断增加，使得髋臼前缘不会阻碍髋关节的运动，保证髋关节具有较大的屈曲活动度。同时，髋臼前倾角在一定程度上还受其前缘及后缘形态的影响。由于每个人的髋臼前、后缘形态不同，因此前倾角在不同个体中有比较大的差异。比如，在身体近端，髋臼后缘呈直线形，而在远端则呈曲线形；与后缘相比，前缘的形态变化较多，一般有直线形、曲线形、不规则形等。髋关节既具有良好的内在稳定性，也具有灵活的活动性，其类似球轴承的结5构能够保证完成日常生活中所需的行走、下蹲、下跪等动作。在身体的矢状面、冠状面和横断面三个平面内，髋关节的主要活动可分解为弯曲-伸展、外展-内收、外旋-内旋。这三种分运动的活动范围不尽相同，以矢状面内的弯曲-伸展运动范围最大，一般为屈曲140°，伸展15°。与矢状面相比，髋关节在冠状面和横断面内的活动范围都较小，外展角度范围0°-30°、内收角度范围0°-25°、外旋角度范围0°-90°、内旋角度范围0°-70°。当髋关节处于直立位时，旋转幅度较小，大约为45°。有许多学者对人体日常运动中的关节运动角度进行了研究，比如：在走路过程中，髋关节的屈曲角度变化范围为-5°-40°，而内收/外展及内旋/外旋的角度范围为+5°--5°；与走路相比，在上台阶过程中髋关节的活动范围较大，其中屈曲角度范围可达67°，内收/外展及内旋/外旋角度范围分别为28°和26°。4.2膝关节的解剖结构膝关节是由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成[39]，其中髌骨与股骨滑车组成髌股关节[40]，股骨内、外髁与胫骨内、外侧平台分别组成内、外侧胫股关节[41]。日常生活中，膝关节承受很大的负荷。这些负荷的大小取决于：活动的种类(平地行走、跑步、上下楼梯等)，膝关节外的解剖异常(例如髋关节强直、胫骨内翻畸形)，个人习惯和身体特点(例如生活方式、姿势、体重和运动的速度)[42]。膝关节的解剖结构如图2所示。图2膝关节解剖结构图与髋关节不同，膝关节的稳定性主要靠静态约束维持，交叉韧带和侧副韧带是限制膝关节运动的主要结构[43]。其中，前交叉韧带(AnteriorCruciateLigament，ACL)起于股骨切迹后方，沿着股骨方向止于胫骨前端，它是对抗胫骨相对股骨向前滑移的主要静态稳定结构，同时前交叉韧带在对抗膝关节的内旋、内外翻中也起到一定的作用[44]。从功能上，前交叉韧带可以分为前内侧束和后外侧束。当膝关节屈曲90°时，前内侧束承受较大的张力，而当膝关节处于伸展位时，后6外侧束则承受较大的张力[45]。有研究指出，在膝关节处于伸展位时前交叉韧带承受75%的前向关节力，而膝关节弯曲30°和90°时，这一数值高达85%[46]，可见前交叉韧带在限制胫骨前移中发挥着重要的作用。后交叉韧带(PosteriorCruciateLigament，PCL)起自股骨髁间窝中内侧髁的外侧面，止于内外侧关节面之间的胫骨沟。后交叉韧带被认为是膝关节的主要稳定结构，因为它位于关节的旋转中心，其坚强度是前交叉韧带的两倍[45]。后交叉韧带的主要作用是限制胫骨相对股骨向后滑移，同时还起到限制膝关节外旋、内外翻的作用[44]。在膝关节屈曲30°和90°的情况下，它承受着85%的后向关节力[47]。后交叉韧带也可以分为前外侧束和后内侧束两部分。在膝关节屈曲时前外侧束紧张，而膝关节