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长距离跑后“足外翻”姿态增加膝关节内侧接触力：基于OpenSim肌骨建模及机器学习预测的研究 被引量：17
1
作者 梅齐昌 相亮亮 +3 位作者 孙冬 李建设 Justin Fernandez 顾耀东 《体育科学》 CSSCI 北大核心 2019年第9期51-59,共9页
目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用OpenSim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采... 目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用OpenSim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采用一维统计参数映射(Statistical Parametric Mapping 1d)分析法检测差异性,结合足姿态参数与膝关节总接触力及膝关节内外侧接触力训练并检验机器学习算法。结果:1)5 km跑后,髋关节蹬离期伸角度、支撑初期外旋角度及踝关节蹬离期跖屈角度均显著增大;2)髋关节支撑期伸力矩及支撑初期外展力矩、踝关节支撑期跖屈力矩均显著增大,膝关节支撑初期及蹬离期屈力矩均显著降低;3)膝关节蹬离期总接触力显著减小,支撑初期内侧接触力显著增大而支撑初期及蹬离期外侧接触力均显著减小;4)机器学习算法模型发现,足外翻程度增大引起膝关节总接触力及内侧接触力快速增大而外侧接触力逐步减小。结论:1)长距离跑后下肢关节负荷出现幅值及重新分布的变化,表现出增大的髋关节伸及外展力矩,减小的膝关节屈力矩及增大的踝关节跖屈力矩,可能与足姿态变化及相关肌群肌力有关;2)长距离跑后膝关节内侧接触力快速增大且与量化的足姿态参数呈线性关系;3)通过足姿态参数指标可快速预测膝关节接触力的变化,跑者可实地评估足姿态参数以预测膝关节负荷的幅值和分布变化,辅助科学合理的安排跑量及训练计划,降低跑步相关的膝关节损伤风险。 展开更多
关键词 长跑 足外翻 膝关节接触力 机器学习 OpenSim
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个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的适用性评估 被引量：3
2
作者 李宏伟 刘峰 《机械设计与制造工程》 2021年第5期6-10,共5页
为实现个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的广泛临床应用,在AnyBody生物力学建模软件中对近四届膝关节挑战赛公开数据集中的4位膝关节置换患者建立了个体化全膝关节置换骨肌模型,对每位患者的下蹲和坐立运动进行模拟仿真,通过对比... 为实现个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的广泛临床应用,在AnyBody生物力学建模软件中对近四届膝关节挑战赛公开数据集中的4位膝关节置换患者建立了个体化全膝关节置换骨肌模型,对每位患者的下蹲和坐立运动进行模拟仿真,通过对比模型预测结果与实验测量数据之间的差异,评估所建模型对膝关节假体接触力的预测精度以及模型在不同患者下蹲和坐立运动形式中的适用性。结果表明,与实验测量数据相比,所建骨肌模型预测的胫股关节假体接触力的均方根误差和相关系数的范围分别为67~336 N和0.55~0.98,模型在不同患者的下蹲和坐立运动形式中均表现出较高的预测精度和良好的适用性。 展开更多
关键词 全膝关节置换 个体化 骨肌模型 接触力 适用性
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单髁膝关节置换术股骨部件不同内外侧安装位置的骨肌多体动力学研究 被引量：1
3
作者 任佳轩 陈瑱贤 +3 位作者 张静 高永昌 乔锋 靳忠民 《生物医学工程学杂志》 EI CAS 北大核心 2023年第3期508-514,521,共8页
单髁膝关节置换术(UKA)中假体的手术安装精度是影响术后膝关节功能和假体寿命的重要因素。本文以UKA股骨部件相对胫骨衬垫内外侧位置的比值(a/A)为参数,分别考虑了9种不同股骨部件安装情况,建立UKA置换的骨肌多体动力学模型并模拟患者... 单髁膝关节置换术(UKA)中假体的手术安装精度是影响术后膝关节功能和假体寿命的重要因素。本文以UKA股骨部件相对胫骨衬垫内外侧位置的比值(a/A)为参数,分别考虑了9种不同股骨部件安装情况,建立UKA置换的骨肌多体动力学模型并模拟患者术后行走步态,研究UKA手术中股骨部件内外侧安装位置对术后膝关节接触力、关节运动和韧带力的影响。结果表明,随着a/A比值的增大,膝关节内侧假体接触力减小,外侧软骨接触力增大;膝关节内翻运动、外旋运动和关节后移运动增大;前交叉韧带力、后交叉韧带力和内侧副韧带力减小。UKA股骨部件内外侧安装位置对膝关节屈曲伸展运动、外侧副韧带力影响不大。而当a/A≤0.375时,股骨部件与胫骨会产生接触。为了避免内侧假体和外侧软骨承受过高的载荷、产生过高的韧带力以及内侧假体与胫骨碰撞等问题,本文建议医生UKA手术中安装股骨部件时a/A比值控制在0.427~0.688范围内,为UKA手术中股骨部件内外侧安装提供了参考依据。 展开更多
关键词 单髁膝关节置换 内外侧安装位置 骨肌多体动力学 关节接触力 关节运动 韧带力
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融合人工鱼群和随机森林算法的膝关节接触力预测
4
作者 卢巍 朱业安 徐唯祎 《中国医学物理学杂志》 CSCD 2020年第4期502-508,共7页
针对膝关节接触力的测量问题提出融合人工鱼群和随机森林算法的膝关节接触力预测方法。首先,运用混沌变换构造均匀分布的种群,并引入自适应视野范围策略和自适应步长策略,获得改进的人工鱼群算法。然后,将干预前所有受试者的步态参数和... 针对膝关节接触力的测量问题提出融合人工鱼群和随机森林算法的膝关节接触力预测方法。首先,运用混沌变换构造均匀分布的种群,并引入自适应视野范围策略和自适应步长策略,获得改进的人工鱼群算法。然后,将干预前所有受试者的步态参数和膝关节接触力数据划分为训练集(70%)和验证集(30%),利用随机森林算法对训练集进行训练,并使用改进的人工鱼群算法优化随机森林模型的主要参数,获得步态参数和膝关节接触力的非线性关系,利用验证集进行验证。最后,以干预后单个受试者的步态参数和膝关节接触力对预测模型进行测试。结果表明模型在验证集和测试集上都有很高的准确性,模型在验证集上的误差表明模型能准确地学习输入和输出之间的因果关系;在测试集上的误差表明训练后的模型能够准确地将这种因果关系推广到新的输入中。 展开更多
关键词 人工鱼群算法 随机森林算法 膝关节置换 接触力预测
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利用RGB-D数据驱动的骨肌模型预测膝关节接触力
5
作者 徐唯祎 朱业安 +1 位作者 王浩伦 卢巍 《航天医学与医学工程》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期252-257,共6页
目的利用RGB-D数据驱动骨肌模型来预测受试者步行时的膝关节接触力,并验证其准确性。方法首先,利用Kinect和Qualisys运动捕捉系统(参照标准)同步采集了6名受试者的运动轨迹数据;然后,利用运动轨迹数据和地面反作用力数据分别驱动校准后... 目的利用RGB-D数据驱动骨肌模型来预测受试者步行时的膝关节接触力,并验证其准确性。方法首先,利用Kinect和Qualisys运动捕捉系统(参照标准)同步采集了6名受试者的运动轨迹数据;然后,利用运动轨迹数据和地面反作用力数据分别驱动校准后的骨骼肌肉模型,通过模型的逆向动力学分析功能实现了膝关节接触力的预测;最后,利用均方根误差(δRMSE)和皮尔逊相关系数(ρ)对两种方法的预测结果进行了对比验证。结果和参照方法相比,RGB-D数据驱动的骨肌模型能准确预测受试者步行时的膝关节接触力(δRMSE=77.1;ρ=0.970)。结论RGB-D数据驱动的骨肌模型能够精准预测膝关节接触力,可作为一种更好的替代方法在临床上应用。 展开更多
关键词 RGB-D数据 骨肌模型 膝关节接触力 步态分析 准确率
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全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真 被引量：21
6
作者 陈瑱贤 王玲 +1 位作者 李涤尘 靳忠民 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第5期397-403,共7页
目的构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件Any Body及其依赖于力的运动学建模方法... 目的构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件Any Body及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟。通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力。结果模型预测的胫骨-股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164 N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值最大值为250 N。模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致。此外,模型预测的胫骨-股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°~47°、-3.4°~1.5°、0.2°^-1.5°,胫骨-股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6~9.0 mm、1.6~3.2 mm、4.2~5.2 mm。模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其最大值分别为190、108、108 N。结论所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台。 展开更多
关键词 人工膝关节 全膝关节置换 右转步态 骨肌多体动力学 接触力 肌肉活性
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胫骨后倾角的改变与牛津活动衬垫单髁置换术中间隙压力及术后膝关节活动度的关系 被引量：7
7
作者 孙晓威 柳昌全 +3 位作者 黄诚 王卫国 郭万首 张启栋 《中华医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2022年第25期1904-1909,共6页
目的研究膝关节单髁置换(UKA)手术前后胫骨后倾角(PTS)的改变与术中关节屈伸末端间隙压力以及术后膝关节活动范围的关系。方法分析2020年6月至2021年6月中日友好医院收治的38例(46膝)UKA患者的临床资料。术中应用自行设计的压力传感器... 目的研究膝关节单髁置换(UKA)手术前后胫骨后倾角(PTS)的改变与术中关节屈伸末端间隙压力以及术后膝关节活动范围的关系。方法分析2020年6月至2021年6月中日友好医院收治的38例(46膝)UKA患者的临床资料。术中应用自行设计的压力传感器测量不同屈膝角度时内侧膝关节间隙的压力,分析手术前后PTS变化(ΔPTS)与术中屈伸末端膝关节间隙压力及术后关节屈伸活动度的关系。结果共纳入38例患者46膝,男14例,女24例,年龄(69.1±7.4)岁,随访(11.2±3.7)个月。经计算,间隙压力为(88.3±40.6)N;调整后的伸直末端间隙压力为81.7%±33.8%,屈曲末端间隙压力为55.6%±31.0%。术后随访时固定屈曲畸形[M(Q_(1),Q_(3))]为0°(0°,3°),较术前0°(0°,5°)减少(P<0.05),术后最大屈曲度为115.9°±16.4°,较术前的112.0°±16.8°增加(P<0.05),术后PTS为8.3°±2.7°,与术前的8.6°±2.1°差异无统计学意义(P>0.05)。相关分析发现,ΔPTS与伸直末端压力及固定屈曲畸形间均呈正相关(r=0.334、0.317,均P<0.05);伸直末端压力与固定屈曲畸形呈正相关(r=0.472,P<0.05)。而ΔPTS与屈曲末端压力呈负相关(r=-0.397,P<0.05),但此两者与最大屈曲度无相关性(均P>0.05)。结论UKA术中减少PTS会减小伸直末端间隙压力并减小术后膝关节固定屈曲畸形,同时会增加屈曲末端间隙压力,但并不会因此减少术后最大屈曲度。 展开更多
关键词 关节成形术 置换 膝 膝关节单髁置换术 胫骨后倾角 传感器 膝关节间隙压力 病例系列研究
原文传递
一个解剖基人体下肢的生物动力模型──第二部分:数值结果 被引量：2
8
作者 王西十 白瑞蒲 《力学与实践》 CSCD 北大核心 2000年第2期52-55,共4页
表述人体下肢生物动力模型的数值技术、数值结果并将其与文献进行比较．模型显示：当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时，在膝关节处所产生的４个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力，在大腿固定不动（或运动受到约束）的情况下，要远... 表述人体下肢生物动力模型的数值技术、数值结果并将其与文献进行比较．模型显示：当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时，在膝关节处所产生的４个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力，在大腿固定不动（或运动受到约束）的情况下，要远大于大腿未受约束的情形．这与医学常识是吻合的． 展开更多
关键词 解剖 人体 下肢 生物动力模型
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牛津活动衬垫单髁置换术中间隙压力与下肢力线矫正程度的相关性 被引量：3
9
作者 葛均成 柳昌全 +3 位作者 孙晓威 陈汉东 张启栋 郭万首 《中华医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2023年第7期513-519,共7页
目的研究牛津活动衬垫单髁置换术(OUKA)中膝关节间隙压力与术后下肢力线的相关性,为预测OUKA术后下肢力线提供参考数据。方法本研究为回顾性病例系列研究。纳入2020年1月至2022年1月中日友好医院骨科关节外科收治的78例接受OUKA手术的患... 目的研究牛津活动衬垫单髁置换术(OUKA)中膝关节间隙压力与术后下肢力线的相关性,为预测OUKA术后下肢力线提供参考数据。方法本研究为回顾性病例系列研究。纳入2020年1月至2022年1月中日友好医院骨科关节外科收治的78例接受OUKA手术的患者(92膝),其中男29例,女49例,年龄(68.8±6.9)岁。术中应用自行设计的压力传感器测量膝关节在0°及20°时内侧膝关节间隙的压力,并按术后下肢力线内翻程度分组。应用Pearson相关性分析评估分析间隙压力与术后下肢力线的关系。比较分析不同力线矫正满意程度组间的间隙压力。结果术中测量伸膝0°时的间隙压力为81.7 N±57.8 N,屈膝20°时为96.1 N±54.5 N,术后膝关节内翻角度为2.9°±2.7°。伸膝0°及屈膝20°位时的间隙压力与术后膝关节内翻角均呈负相关(r=-0.493、-0.331,均P<0.001)。各内翻组在伸膝0°时间隙压力的分布不相同,中立位组(n=24)压力[M(Q_(1),Q_(3))]为117.4 N(31.7 N,233.0 N),轻度内翻组(n=51)为63.7 N(11.3 N,209.0 N),明显内翻组(n=17)为31.5 N(8.3 N,87.7 N),差异具有统计学意义(P<0.001);而在膝关节屈曲20°位时,仅明显内翻组与中立位两组间隙压力差异有统计学意义(P=0.040)。力线矫正满意组在0°及20°时的间隙压力均大于明显内翻组,差异均有统计学意义(均P<0.05)。术前合并明显屈曲畸形的患者在伸膝0°及屈膝20°位测得的间隙压力均要大于术前无屈曲畸形(或轻度屈曲畸形)者(均P<0.05)。结论OUKA间隙压力与术后下肢力线矫正程度相关。术后下肢力线矫正良好的患者,术中膝关节在0°及20°的中位间隙压力分别为117.4 N和92.5 N。 展开更多
关键词 关节成形术 置换 膝 膝关节单髁置换术 传感器 下肢力线 膝关节间隙压力
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后稳定型全膝关节假体的骨肌多体动力学研究 被引量：1
10
作者 陈瑱贤 张志峰 +3 位作者 高永昌 张静 郭磊 靳忠民 《生物医学工程学杂志》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期651-659,共9页
后稳定型全膝关节假体已经被广泛应用于骨科临床治疗膝骨关节炎,但是胫骨衬垫立柱的磨损、断裂以及假体松动等失效问题依然困扰着患者和医生。了解患者体内膝关节假体的生物力学特性有利于降低术后的假体翻修率和患者不满意度。本文针对... 后稳定型全膝关节假体已经被广泛应用于骨科临床治疗膝骨关节炎,但是胫骨衬垫立柱的磨损、断裂以及假体松动等失效问题依然困扰着患者和医生。了解患者体内膝关节假体的生物力学特性有利于降低术后的假体翻修率和患者不满意度。本文针对6种不同后稳定型全膝关节假体分别建立了全膝关节置换的骨肌多体动力学模型,在模拟走路、右转和下蹲3种生理活动下,对比研究了6种后稳定型全膝关节假体的生物力学差异。结果表明,在走路、右转和下蹲活动中PFC Sigma和Scorpio NGR两种假体的立柱所受接触力较大,增加了立柱断裂和磨损破坏以及假体早期松动的风险。Gemini SL的螺旋型立柱设计更有利于膝关节的内外旋转运动,同时避免了立柱边沿接触磨损。后稳定型全膝关节假体矢状面较低的关节面匹配度设计和较晚的立柱-凸轮相遇接触设计将导致较大的前后平移运动。本文为临床指导医生选择、改进假体设计和降低假体失效提供了理论支撑。 展开更多
关键词 全膝关节置换 后稳定型全膝关节假体 立柱-凸轮机构 骨肌多体动力学 接触力 关节运动
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