整體免荷型膝關(guān)節(jié)矯形器設(shè)計.pdf

1、膝關(guān)節(jié)是全身最主要的承重關(guān)節(jié),它結(jié)構(gòu)復雜,長期負重且運動量大,是下肢活動的樞紐。因此,其傷病率也位居所有關(guān)節(jié)之首。其中,最為常見的病癥之一就是骨性關(guān)節(jié)炎,長期和增大的關(guān)節(jié)負載是其致病的主要外因。同時,膝關(guān)節(jié)軟骨磨損、半月板損傷等也是膝關(guān)節(jié)的常見病癥,它們的發(fā)生惡化都與關(guān)節(jié)負載相關(guān)。而膝關(guān)節(jié)免荷矯形器通過矯正力線,重新分配關(guān)節(jié)負荷成為治療這些關(guān)節(jié)疾病,減輕患者疼痛,恢復其活動能力的重要手段。
　　本文首先介紹了矯形器的分類、功能、材

2、料、生物力學原理、設(shè)計原則、發(fā)展趨勢、使用人群心理以及可能出現(xiàn)的副作用。
　　其次,以“免荷”為中心,在描述膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、運動特征、下肢承力機制的基礎(chǔ)上,分析了關(guān)節(jié)負荷在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎,半月板、軟骨損傷中的角色和作用原理。并據(jù)此,從生物力學的免荷角度,闡述了相應(yīng)的治療方案如減肥、加強下肢運動訓練、改變運動方式、應(yīng)用矯形或助力器械。
　　再次,本文通過分析現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)免荷矯形器的作用機制和局限性,提出了新的整體免荷思路:通

3、過機構(gòu)設(shè)計,將膝關(guān)節(jié)以上的部分負載直接傳遞給膝關(guān)節(jié)以下部分,由機構(gòu)和膝關(guān)節(jié)共同承擔載荷實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的整體免荷。并根據(jù)此思路,設(shè)計了六種機構(gòu)的實現(xiàn)方案,均可將膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成大腿托的直線運動,使免荷成為可能。同時,對這六種方案分別進行了運動和力學分析,比較其優(yōu)劣,并對最終的方案進行了矯形器結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。
　　最后,為了驗證新設(shè)計機構(gòu)的免荷作用,并基于原理安全性考慮,本文詳細分析了機構(gòu)對膝關(guān)節(jié)作用,包括機構(gòu)對關(guān)節(jié)力線的

4、限制和保護;大腿托作用下,大腿的受力情況;膝關(guān)節(jié)瞬心與機構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心差異對下肢屈伸的影響等。并且,通過建立下肢與機構(gòu)的生物力學模型,對新免荷機構(gòu)作用下膝關(guān)節(jié)伸展進行力學分析,文章證明了機構(gòu)對膝關(guān)節(jié)接觸力的減免作用以及指出了膝關(guān)節(jié)整體免荷方案在免載能力和人體代償間存在的矛盾,因此,其應(yīng)用需要尋求兩者之間尋求平衡。同時,本文設(shè)計了生物力學實驗,建立了大腿托與皮膚的壓力,阻力和皮膚變形滑移之間的關(guān)系,求得其阻尼特性以及膝關(guān)節(jié)需要克服機構(gòu)的阻力矩