基于FDK方法的正逆向动力学结合研究足踝落地冲击的损伤机制

Gymnasts and paratroopers will bear a huge impact during landing, which often causes damage of the foot and ankle. The elastic interaction of joints and cartilages plays an important role in protecting musculoskeletal system and reducing injury. It is not proved whether the elastic constraint in the biomechanical modeling simulation can better reveal the damage mechanism. Our research is aimed at the two aspects: firstly, the FDK method was brought into the AnyBody model. The effectiveness of elastic constraints will be studied based on the inverse dynamics simulation and experiments. Secondly, a novel foot and ankle model, which contains the elastic restraints among the joints and cartilages, will be established. A relevant excitation sequence scheme of muscle activity, which is called “active control”, is formulated subsequently according to the above studies. The analysis focuses on the relationship between the different landing styles and the muscle excitation sequences, which may reveal the damage mechanism. This is the first time that the FDK method will be applied in AnyBody foot model, which could improve the elastic restraint conditions of foot and ankle in modeling and simulation. It also holds great prospect for increasing the prediction accuracy and providing proposal for the landing impact injury of the foot and ankle motion.

体操运动员和空降兵在落地过程中都要承受巨大的冲击载荷，经常会发生足踝损伤。而足踝关节之间的弹性作用对保护肌肉骨骼系统、减少损伤具有重要的作用。那么在生物力学建模仿真中考虑这种运动约束能否更好地揭示损伤机制？国内外研究缺乏此方面论述。本研究希望针对以上问题，展开以下两个方面的研究工作：一、在AnyBody足踝模型基础上引入FDK方法，利用逆向动力学仿真及实验，探究落地冲击作用下足踝部位的弹性约束条件；二、基于上述研究结果，建立一个考虑关节之间弹性约束作用的多体足踝模型，借助实验和仿真结果，制定相关肌肉的活性激发序列方案，以此添加对足踝肌肉的主动控制，探究不同落地情况与肌肉激发序列的关系，尝试揭示足踝损伤的内在机制。本研究首次将AnyBody中的FDK方法应用到足踝部位，将完善建模仿真中足踝部位更真实的运动约束条件，提升预测足踝运动的准确性，最终为预防足踝落地冲击损伤提供建议。

本研究的目的在于通过逆向多体动力学方法，研究人体下肢各关节的损伤机制，为后续实际应用提供坚实的理论基础。.本研究的主要研究内容为：1）确定实验方案和贴点方案，使用运动捕捉设备采集志愿者数据，并能够使用人体肌肉骨骼动力学模型模拟计算得到的人体运动数据；2）基于实验和人体模型计算得到的运动学、动力学数据，探究损伤机制；3）综合不同类型的数据，评估患者异常步态，提出了一种新的正态指数方法，并使用机器学习完善对病患的初步区分、检测、诊断，最后建立了一种能够同时用于评估异常患者肌肉力水平与诊断患者的复合指数；4）构建了体现中国人基本参数的人体模型，能够模拟开放更多自由度的关节功能。.本研究取得的成果有：1）运用步态分析探究了膝关节的损伤机制，初步得到了正常人与不同半月板损伤类型患者在动力学方面的差异；2）从动力学角度研究了膝关节的损伤机制，得到了正常人与不同半月板损伤类型患者以及患者健侧和患侧在动力学方面的差异，发现前交叉韧带合并半月板损伤主要改变下肢支撑相阶段的动力学特性，不同类型的半月板撕裂会诱发不同的动力学变化；3）通过逆向动力学仿真分析得到的肌肉力，以及傅里叶变换计算得到的频率，结合临床、统计学分析，得到正常人与ACLD患者之间的差距，发现腓肠肌、缝匠肌、股二头肌、腘肌等肌肉的变化特点；4）使用机器学习进行定量分析，更自动、客观、高效、准确地区分出半月板受损伤的ACLD患者；5）建立了人体仰卧推举模型，为进一步人机结合探究损伤机制奠定了基础；6）建立了正态指数评估患者异常步态；7）建立了复合指数评估患者步态中异常肌肉力；8）建立膝关节多自由度的人体肌肉骨骼动力学模型。.总之，本研究分析了运动损伤的机制，为后续康复训练方案设计、外骨骼与人体动态相互作用模拟提供了理论框架和工具。.