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

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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

1 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。

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

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15~25 mm，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。