人工膝关节设计参数与置换者步态和受力特征关系的生物力学研究

At present, most of total knee replacements used in China are imported, these total knee replacements are designed according to Caucasians' knee anatomy and tested using their gait characteristics. This research will select five mostly used total knee replacements in China and conduct gait analysis of those patents. Gait analysis will be analyzed for each type of total knee replacement, and gait data will be normalized. It is expected that the effect of the features of each type of total knee replacement on the knee functions will be identified. Opensim software will be used to model the lower limb with the implanted knee replacement, the muscle forces and knee joint reaction forces will be obtained through the simulations. Finite element models of each type of total knee replacements will be created, and the constraints and loads obtained from gait analysis will be applied to the finite element models. Stressed in the total knee replacement and knee joint will be obtained from the finite element analysis, therefore important design features of the total knee replacement can be discovered. This research will utilize the VICON gait measurement system at School of Mechanics and Biomedical Engineering. This research will contribute to the design of total knee replacements, which will be suitable for Chinese patients and enhance the life quality of patients with total knee replacement.

目前国内的人工膝关节类型很多但绝大多数为进口产品，其设计及测试实验是基于欧洲人的膝关节解剖特征及运动特点。本研究将选取五种国内常用的人工膝关节, 采集百名以上人工膝关节置换者的术后步态数据, 根据所安装的人工膝关节类型对置换者的步态数据进行归类分析, 并对每一组关节类型的步态数据进行标准化处理, 以期得到不同人工膝关节在帮助患者恢复到接近正常膝关节行走活动的特点特征。应用骨骼肌肉系统动力学分析软件 Opensim 对所置换的膝关节下肢进行计算机模拟分析从而得到人工膝关节的受力状态以及主要下肢肌肉的施力大小。对所研究的每一种人工膝关节建立有限元模型, 利用步态分析得到的约束及荷载数据进行动态应力分析， 从而获得最适合国人的人工膝关节的关键设计参数。本研究结果将能促进我国人工膝关节的设计与发展，提高国人膝关节置换者的生活质量。

目前国内的人工膝关节类型很多但绝大多数为进口产品，其设计及测试实验是基于欧洲人的膝关节解剖特征及运动特点。本项目使用三维运动捕捉系统、测力台、表面肌电等设备，进行了人体步行运动的采集，步行过程采取了正常行走、改变运动姿势、足底支撑等多种方式进行；结合逆向动力学分析了上述运动情况时下肢各关节的关节反力和主要肌肉的肌肉力，确定姿势改变对运动过程中关节角度、关节力和肌肉力间的关系；使用肌骨系统生物力学模型分析了全膝关节置换后正常步态、弹跳式、内推式三种步行运动时，下肢各关节的关节反力和主要肌肉的肌肉力；建立全膝置换膝关节模型，分析了固定轴、移动轴膝关节对胫-股关节的影响；建立不同功能梯度的胫骨组件，对比分析了静态、步态下胫骨组件、胫骨中的应力峰值情况；建立单髁置换膝关节模型，分析了捷迈单髁假体衬垫和立柱参数变化及安装位置变化对膝关节假体及周围组织的影响，并进行了可能的失效形式的评估。.本项目确立了外在运动姿势、足底支撑改变引起的运动特征变化与内部下肢各组织受力的关系，探讨了人工膝关节参数设计与各组织受力情况间的关系。该项目的研究结果可为我国人工膝关节的设计与发展提供重要的参考依据，可应用于军事训练、日常体育运动、早期膝关节患者的预防与康复，可应用于置换手术前假体类型的选择，也可应用于膝关节置换患者的术后康复方案确定。