偏癱步態(tài)的動(dòng)力學(xué)模擬與仿真分析.pdf

1、腦卒中、腦癱、小兒麻痹癥等高發(fā)性疾病容易造成偏癱，造成神經(jīng)中樞受損從而引發(fā)對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)功能障礙，并最終可能導(dǎo)致偏癱肢體完全不能活動(dòng)的情況。從運(yùn)動(dòng)障礙學(xué)的角度來看，偏癱步態(tài)始于肌肉的神經(jīng)控制失常，而肌肉活動(dòng)是步行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，偏癱步態(tài)的異常與異常的肌肉活動(dòng)有著密切的關(guān)聯(lián)，如何對(duì)偏癱步態(tài)患者進(jìn)行準(zhǔn)確的肌力診斷及患后的步態(tài)康復(fù)治療是研究人員所關(guān)注的問題。目前，由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及生物局限性，對(duì)關(guān)節(jié)、肌肉軟組織等結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)還不夠充分，

2、國(guó)內(nèi)對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的研究也多集中于步態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分析而缺乏肌肉活動(dòng)與步態(tài)間關(guān)系的研究。因此，本文介于該背景對(duì)偏癱步態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，首先從步行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)捕捉出發(fā)，采用合理的力學(xué)模型表征關(guān)節(jié)、肌肉的作用，闡述適合于步態(tài)研究的動(dòng)力學(xué)模型的建立過程并驗(yàn)證計(jì)算的有效性;其次，建立正常步態(tài)與偏癱步態(tài)的步態(tài)模型，通過正常步態(tài)的特性分析建立偏癱步態(tài)的對(duì)比參照標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)偏癱步態(tài)與正常步態(tài)進(jìn)行差異分析，探討偏癱步態(tài)的異常與異常肌肉活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)，并通過肌力調(diào)整

3、的方式分析肌力對(duì)步態(tài)表現(xiàn)的影響。具體而言，完成的主要工作和研究成果包括:
　　首先，為了分析步態(tài)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，以步態(tài)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立有效的步態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。在建模過程中借助Vicon動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)進(jìn)行步態(tài)數(shù)據(jù)采集，利用剛體模型簡(jiǎn)化骨骼，彈簧阻尼模型定義關(guān)節(jié)，可訓(xùn)練肌肉模型記錄肌群的收縮模式，使仿真結(jié)果準(zhǔn)確反映人體的肌肉活動(dòng)。建模后，通過關(guān)節(jié)角度、地面反作用力參數(shù)仿真與實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證模型的有效性，結(jié)果顯示:下肢

4、踝、膝、髖關(guān)節(jié)角度上實(shí)測(cè)與仿真間相關(guān)系數(shù)分別為0.958、0.979及0.987，最大角度差異約5°，兩側(cè)足地面反作用力上實(shí)測(cè)與仿真間相關(guān)系數(shù)分別為0.945和0.937，總體上實(shí)測(cè)與仿真曲線高度相關(guān)且特定時(shí)刻差異較小，證明所建模型可用于步態(tài)仿真模擬。
　　在建立了適合步態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬的動(dòng)力學(xué)模型后，為了探討偏癱步態(tài)的異常特性，首先對(duì)正常步態(tài)模型進(jìn)行分析，以正常步態(tài)的特性作對(duì)比參照樣本。分析正常步態(tài)的步態(tài)特征、動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)及肌群活動(dòng)的仿

5、真結(jié)果，發(fā)現(xiàn):步態(tài)運(yùn)動(dòng)上，正常步態(tài)的具體表現(xiàn)為步長(zhǎng)、步速維持正常值，支撐相約占步態(tài)周期的60％，下肢兩側(cè)參數(shù)呈高度對(duì)稱性;關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)上，初始著地期及擺動(dòng)前期關(guān)節(jié)角度及關(guān)節(jié)力矩的變化對(duì)于步態(tài)運(yùn)動(dòng)有較大影響;動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)上，正常步態(tài)地面反作用力及關(guān)節(jié)力的變化均呈雙峰型，在足跟落地及足趾離地階段出現(xiàn)最大值;肌力活動(dòng)上，初始著地期脛前肌控制踝關(guān)節(jié)背屈運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)前期足趾離地階段腓腸肌、比目魚肌控制踝關(guān)節(jié)跖屈運(yùn)動(dòng)，在擺動(dòng)初期及擺動(dòng)末期階段髂腰肌和胭繩肌

6、分別起擺動(dòng)加速和擺動(dòng)減速的作用。
　　在了解正常步態(tài)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)偏癱步態(tài)與正常步態(tài)各參數(shù)進(jìn)行差異分析，通過分析該偏癱步態(tài)受試者步行中非正常的步態(tài)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，探究偏癱患者步態(tài)的異常與異常肌肉活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn):該偏癱步態(tài)患者步態(tài)運(yùn)動(dòng)的異常主要體現(xiàn)于健患側(cè)下肢間的不對(duì)稱性較大，健患側(cè)步長(zhǎng)、步速較小，步態(tài)周期、健患側(cè)支撐時(shí)間及步寬較大;關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的差異以矢狀面的異常為主，踝關(guān)節(jié)初始著地期背屈不足、擺動(dòng)前期階段跖屈不足，膝、

7、髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)受限;結(jié)合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與肌肉活動(dòng)的異常表現(xiàn)，該偏癱步態(tài)初始著地期脛前肌肌力缺失導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)背屈不足從而影響落地階段步態(tài)，擺動(dòng)前期腓腸肌肌力較小導(dǎo)致足部離地期踝關(guān)節(jié)跖屈運(yùn)動(dòng)不足影響落足趾離地階段步態(tài)，脛前肌、腓腸肌肌力異常是導(dǎo)致該患者產(chǎn)生偏癱步態(tài)的原因。
　　為了考察活動(dòng)異常肌群的改善對(duì)步態(tài)表現(xiàn)的影響，通過偏癱步態(tài)的脛前肌、腓腸肌肌力調(diào)整模擬肌力的訓(xùn)練，運(yùn)用Lifemod的正向動(dòng)力學(xué)分析模塊，模擬分析肌力訓(xùn)練后的步態(tài)運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)