基于可穿戴传感网络的全膝关节置换术后的步态训练研究

An important problem after unilateral total knee arthroplasty is that the contralateral knee is loaded significantly more than the replacement knee. Traditional post-operative rehabilitation only focuses on muscle strength training but hasn’t solved the problem of unbalanced forces between both knee joints, which can accelerate osteoarthritis progression in the contralateral knee joint and significantly increases the rate of required knee replacement in the contralateral knee. Gait training can change knee joint forces by adjusting gait walking patterns. However, existing methods primarily rely on large-scale experimental equipment such as motion capture systems and floor-mounted force plates, which has thus far prevented widespread clinical adoption. This project intends to: 1) combine multi-source body sensing networks, including inertial measurement units and electromyographic measurement units, to establish a gait kinetic model and muscular model for real-time wearable systems to study the effect of gait training on joint forces; 2) study the new principle of gait training via wearable flexible assistive devices and tactile feedback to achieve rebalance knee joint forces; 3) based on the above theoretical research, the integrated sensor network, flexible active assistance and tactile passive feedback and other key components, develop a wearable gait training system and test patients after total knee arthroplasty to verify the effectiveness of knee force rebalancing. The research results of the project will provide theoretical methods and wearable solutions for post-operative rehabilitation of total knee arthroplasty, biomechanical measurements, and gait training research.

单侧全膝关节置换手术后的一个重要问题是对侧的膝关节受力明显高于置换侧。传统的术后康复只关注肌肉力量训练，而未解决两侧关节受力不平衡的问题，使得对侧膝关节的关节炎恶化加快，置换率显著增加。步态训练能通过调整步态模式改变关节受力，但现有方法主要依赖于步态实验室内大型设备，临床推广困难。本项目拟：1）融合惯性测量单元和肌电信号测量单元等多源传感网络信息，建立适用于实时可穿戴系统的步态动力学模型和肌骨模型，研究在步态训练作用下的关节受力时域演变；2）研究基于柔性助力装置和触觉反馈的步态训练新原理，实现患膝和健膝关节受力的再平衡；3）基于上述理论研究，集成传感网络、柔性主动助力和触觉被动反馈等关键模块，研发可穿戴式步态训练系统，通过对全膝关节置换术后患者进行测试，验证膝关节受力再平衡的有效性。项目研究成果将为全膝关节置换术的术后康复、生物力学测量、步态训练等研究提供理论方法和可穿戴解决方案。

单侧全膝关节置换手术后的一个重要问题是对侧的膝关节受力明显高于置换侧。传统的术后康复只关注肌肉力量训练，而未解决两侧关节受力不平衡的问题，使得对侧膝关节的关节炎恶化加快，置换率显著增加。步态训练能通过调整步态模式改变关节受力，但现有方法主要依赖于步态实验室内大型设备，临床推广困难。本项目从步态估计算法研究、步态动力学参数估计研究、触觉反馈理论研究和可穿戴系统平台研发四个方面开展了研究,具体包括：研发了一种基于惯性测量单元（IMU）的膝关节角度估计算法，用于前交叉韧带损伤风险评估测试中膝关节屈曲、外展和内旋角度的评估，该角度估计算法能够在降落和平切任务中有效估计膝盖外展和内旋角度，并且膝盖屈曲角度估计比以前报道的方法更准确，解决了膝盖关节角度估计不准的问题；提出了一个三维关节角度估计的通用模型，研究了传感器与节段错位和IMU方向误差对三维膝关节角度估计精度的影响；探究了足部撞击模式、步速和前躯干倾斜步态的改变对跑步者下肢冲击负荷的综合影响，发现前足冲击与步速增加相结合导致冲击载荷率最低，后足冲击与躯干前倾相结合导致冲击载荷率最高；研究了IMU位置和方向放置误差对人体下肢地反作用力（GRF）估计精度的影响；建立了一种受试者独立的卷积神经网络模型并使用一个或多个可穿戴惯性测量单元准确估算跑步者的垂直平均负荷率；提出了一种智能手机摄像数据和可穿戴惯性测量单元数据融合的、可评估年轻健康非肥胖男性的膝关节内收力矩(KAM)和膝关节屈曲力矩(KFM)的新模型；验证了共振频率皮肤拉伸可以产生高度显著的触觉刺激，为可穿戴式触觉反馈开辟了新途径；研发了具有触觉反馈的定制鞋，其鞋底包括一个用于估计FPA的计算模块，以及两个连接在鞋内侧和外侧衬里的振动电机，用于提供振动触觉反馈；研发了一款可嵌入到鞋中并测量FPA的嵌入式系统，运动捕捉和传感器测量的FPA之间的平均绝对误差分别为1.7度和2.1度，可以在室外环境下连续测量足偏角，为后续的长期实验提供硬件保证；设计了两款可用于能量采集的滑动鞋，能量收集滑动鞋可以潜在地用于各种可穿戴设备，以减少机载能量存储，这些发现可以为各种医疗和健康应用提供预期的能量收集率和相关的代谢成本。上述研究为后续步态训练理论研究、家庭式康复应用等研究打下了理论与实践基础。在项目资助下，发表SCI检索的国际期刊论文22篇，EI检索的国际会议论文5篇。