计算设计与工程杂志：膝关节物理治疗的新方法与应用

计算设计与工程杂志，卷。号11（2014）55~66www.jcde.org表征膝关节物理治疗Wangdo Kim1，António P.Veloso1、Duarte Araújo1和SeanS.Kohles2，*1Univ Lisboa，Fac Motricidade Humana，CIPER，LBMF，SPERTLAB，Estrada da Costa，P-1499-002，Lisboa（里斯本），葡萄牙2美国俄勒冈州波特兰市俄勒冈健康科学大学修复牙科系生物材料生物力学部（2013年9月28日接收;2013年11月19日修订;2013年11月19日接受摘要膝关节的寿命取决于轴向对齐中如果只有一个部件异常离轴，生物力学系统就会失效，导致关节炎。膝关节各种失效的复杂性导致骨科医生选择全膝关节置换术作为主要治疗方法。在许多情况下，这意味着牺牲大部分的其他正常关节.在这里，我们回顾了新的计算方法来描述膝盖物理治疗，通过引入一个新的维度的脚负载的膝关节轴对齐产生改善的功能状态的患者。在骨关节炎患者的治疗过程中，通过将足部负荷与膝关节的功能轴对齐，可以实现新的理疗应用关键词：膝关节瞬时轴（IAK）;椭球坐标;知觉-动作耦合流形;吉布森1. 介绍膝关节的寿命取决于五个生物力学变量的适当整合：表面一致性，载荷分布，载荷过程中的如果特定位置的某些功能变量异常，则生物力学系统失效，导致关节炎。膝关节截骨术是一种骨科手术方法，通过从股骨或胫骨打开或切割骨楔来重新对齐下肢。这可能是比其他类型的膝关节置换手术更好的选择，特别是对年轻人来说。然而，膝关节截骨术需要了解膝关节的应力不平衡，确定异常步态周期，并正确切割骨楔。这是一个困难的过程，可能会导致进一步的损坏和/或功能受损。事实上，单独的膝关节截骨术可能无法推广承重腿的大多数动作，如通过所有下肢关节到交互表面的自适应移动所完成的。虽然已经开发了一些基于计算机的手术模拟系统来帮助外科医生进行膝关节手术[1]，但所使用的膝关节模型不是患者特定的[2]，或者缺乏运动学和动力学信息[3，4]。例如，创建受试者特定的模拟[5]膝关节模型从计算机断层扫描（CT）获得，而受试者特定的膝关节运动学从透视图像获得。然后，使用胫骨额状面的静态平衡，建模预测了不同行走试验的内侧和外侧胫股接触力[6]。对于患者特定的膝关节模型重建[2]、接触力计算或可视化[7]，没有有效的方法此外，没有系统集成接触力模拟、步态周期模拟和虚拟膝关节物理治疗。在生理学研究中使用的数学模型与应用于工程机械的模型有很大的不同约束通常通过实际机械中的刚性连杆和接头来实现。然而，大多数生理关节涉及滑动，因此旋转中心是瞬时定义的。很明显，人类运动可以从许多不同的角度来研究，例如，解剖学的、生物学的、机械的等等。我们在这里感兴趣的是骨骼活动的控制，具体地，步态的站立阶段;当腿几乎完全伸展并且脚/脚与反作用表面接触时。基于控制的方法的经典理论使用优化算法来微调每个肌肉群的肌肉兴奋模式，并产生模拟实验数据的协调良好的步行模式[8-10]。然而，为了减少神经系统必须操作的自由度（DOF）的数量，我们采用了这样的主张，即来自个体和环境的相互作用通过肌肉协同作用或肌肉群来调节运动。*通讯作者。联系电话：+1-503-516-7528电子邮件地址：Kohles@ohsu.edu© 2014 CAD/CAM工程师协会Techno-Press doi：10.7315/JCDE. 2014. 00656W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~663美元1美元$4美元$'2$'5图1.五个约束条件膝关节的瞬时运动受前交叉韧带（ ACL ） 、 后 交 叉 韧 带 （ PCL ） 、 内 侧 副 韧 带（MCL）以及内侧（P1）和外侧（P2）间室中关节接触的约束请注意，在$处产生的约束力组合不会导致$处的旋转，并且围绕$的角速度不会导致约束力在内侧和外侧接触点上做功（改编自Kim和Kohles发表的原始图[24]。共同激活的肌肉，而不是神经系统控制个别肌肉[11，12]。在这篇综述中，我们提出了一种基于信息的控制理论，即人类运动既不是触发也不是命令，而是控制[27，49]。这种控制的基础是从感知自己在世界中获得的信息这种基于信息的方法的核心是观察到的实验感觉数据[17]。在基于信息的运动控制策略[16]下，人的运动控制可以被视为分布在表演者-环境系统上的过程，即，而不是局限于与表演者相关的内部结构中[18]。最近的一项研究证实，腿部僵硬与跑步力学没有直接关系，[2019 - 10 - 19][2019 - 09 - 19] 19：00：00表演者和他/她的环境（交互表面）可以被认为是任何结果动作中的共同参与者这样，行动是特定于功能而不是机制的[20]。关节的功能运动受到约束的方式与其动力学和运动学轴的位置和方向有关换句话说，关节的运动约束是矢量相关的。这反过来又意味着约束可以用线性几何来表示，而不是螺旋理论[21，22]中描述的基于点的几何螺旋理论基于直线几何和空间运动学之间的密切关系[23]。它以前曾被用于表征膝关节功能[24]，探索高尔夫球杆挥杆的有效性[25，26]，并作为一种最大限度地减少运动数据干扰基本上，对称性存在于刚体被约束的程度与其在产生扭转的每个瞬间的相对运动自由度本研究的目的是审查新的计算框架的基础，膝盖物理治疗，涉及一个新的概念的感知-动作耦合歧管连接膝盖运动学的地面反应向量的意义上的肌肉收缩和GRF复合成扳手，其与膝关节瞬时轴（IAK）相互作用，并分解成属于相互螺钉系统的组件扳手我们建立了一个框架，用于估计膝关节约束的反作用力，体内内侧和外侧接触力，使用一个过程，该过程通过明智地生成平衡时一阶自由度的IAK在此，我们讨论如何使用步态分析、基于信息的运动控制算法和交互式可视化数据来辅助膝关节物理治疗。我们的患者专用膝关节信息框架可帮助我们计算膝关节的接触力，进而执行虚拟理疗。2. 材料和方法2.1 构建患者特定膝关节模型运动和姿势被控制和协调以实现功能特定的动作，这些动作本身基于对示能表示的感知，即，行动的可能性[18]。因此，在运动过程中，我们首先研究了地面反作用力（GRF）方面的表面感知与功能性膝关节轴方面的个体动作之间的互补性，因为感知和动作是不可分割的[27，28]。我们已经预先阐明了一个适用于往复螺旋系统的原理，该原理涉及具有一阶自由度的平衡理论[15，29]。以前已经证明[24]，通过无限位移限制膝关节运动的力是相互关联的，W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6657图2.膝关节提供瞬时螺旋α，其与冲击地面反作用力α互为倒数。绕α轴的角速度的组合不会引起瞬时平移运动，而地面接触处的任何力都不会引起绕α的旋转。然后，GRF的反作用力（和扭矩）将由肢体的肌肉骨骼结构承担。肌肉收缩5和GRF收缩复合成扳手，其限于COP平面并且与IAK互逆。位于平面内的相互作用力分解为属于图1所示五个组件的相互螺钉系统的组件扳手（改编自Kim等人[15]发表的原始图。）条件因此，在水平行走期间，活动肌肉仅缩短一点，并且执行很少的工作，但提供经济地支撑体重所需的力[30]。膝关节的瞬时轴（IAK）与五个约束条件相互作用：前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）、内侧副韧带（MCL）以及膝关节内侧（P1）和外侧（P2）间室的关节接触（图1）。限制膝关节运动的五个约束的反作用将抵消与IAK相互作用的螺钉上的每个扳手影响沿IAK的移动与IAK相互作用的约束力，则不需要作功。我们发现，如果IAK是给定的，并且GRF轴上的COP（压力中心）的位置是已知的，那么GRF矢量被限制在一阶螺旋系统中的一个平面这使膝关节与GRF对齐，从而消除反作用扭矩。然后，对GRF的反应将由膝关节的肌肉骨骼结构部件承担，从而代表膝关节的固定配置[29]。我们建立了一个框架，用于估计膝关节的反应约束，包括体内内侧和外侧接触力，使用的过程通过明智地生成平衡期间一阶自由度的IAK来简化当IAK在运动的站立阶段期间与GRF串联连接时，膝关节可以被认为处于相互配置的状态当所述GRF的轴线几乎与往复螺旋重合时，在步态周期内的腿的站立阶段期间可以施加可调节的GRF站立阶段内的这种静止配置很重要，因为膝盖可以在相应的相互力矢量上施加相当大强度的扳手，而不会导致任何有助于膝盖扭矩的肌肉过载[29]。2.2 信息框架我们的计算框架的基础是一个感知-动作耦合流形，在相互连接的意义上将膝盖运动学连接到地面反应向量虚速度原理指出，如果膝关节处于平衡状态，则在小位移期间抵抗外力所做的功必须为零。我们之前指出膝关节的韧带和软骨接触有助于其机械约束[24]。我们现在需要证明如果膝关节具有一阶自由度，那么对于GRF总是有一个（并且只有一个）螺钉φ来确定膝关节的自由度。因此，膝关节上的动力学脉冲扳手将产生给定的螺钉α作为IAK内的瞬时螺钉轴（ISA）[14]。重要的是，感知-动作耦合歧管利用IAK和GRF生成线的相关对齐，可用于研究个体如何感知有效运动的示能性[18]。感知-动作耦合流形是患者-地面交互的纯几何Plücker [32，33]表明，如果对形成线性复合体的作用力线给出绕某一轴的任何螺旋运动，则这些力线仍保持在复合体内。因此，如果一个复合体的所有线都围绕轴作螺旋运动，那么复合体本身不会改变。因此，我们看到，如果一个具有第一阶自由的膝盖处于平衡状态，那么作用在身体上的力将重新-58W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~66图3.一个特殊的线复合体是由一个单一的扭曲$ISA定义的。线段上的每一个标记点都有一个与通过它的螺旋线相切的速度矢量，这个速度矢量的模式是一个螺旋速度场。与$ISA的扭曲轴不重合的每个标记点称为极点。与每一个极点相关联的是它相应的极平面.所示的是极平面及其由瞬时螺杆轴线$ISA限定的相应极。用于将标记集（a1，b1，c1）转换为（a2，b2，c2）的ISA$ISA必须由柱面（$ab;$αβ）确定。$αβ 和$αβ 是在圆柱面上的两个螺距为零的螺旋 （$ab;$αβ）。在这些线复合体中的第五阶螺旋系统的一侧。这个系统反过来又是螺旋的倒数，螺旋定义了自由度，而不会停止复杂。已使用算法来估计每个坐标处的线性这种方法将有助于分析两个通常布置的轴之间的位移，并采用圆柱体坐标来表示该量[15]。线复合体被定义为三参数线族对于ISA（$ISA）有意义的线复合体的一种形式是线性线复合体[34-36]。这样的线复合体由垂直于曲线族的线组成后一族曲线是由单个螺旋线定义的螺旋线这种特殊形式的原因是主体标记的速度矢量与穿过标记的螺旋线相切通过标记坐标的线垂直于标记处沿切线方向的切向量，称为路径法线（图3）。他们的普朗克坐标满足线性方程：o =[][$ISA]T[$]（1）其确定由瞬时螺旋轴$ISA定义的线性线复合体。现在引入了一个有用的交换运算符[37]：[1] =[o[13]]（2）[I3]o本质上，定义了一个6 × 6矩阵，使得每个子矩阵[I3]是3 × 3单位矩阵，并且点表示填充矩阵的两个3 × 3零阵列。相反，任何由螺旋$ISA定义的线性复合体都执行螺旋轨迹。因此，它由螺旋运动的路径法线（定义为$）形成与每个极点（标记坐标）重合的是一个唯一的平面，W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6659更大的螺旋。该平面被称为相对于扭曲$ISA的极平面。三个标记a1，b1 和c1 在初始配置中以及它们在第二种构型中的相应笛卡尔点坐标a2、b2和c2被用于导出线性复合物（图3）。然后，由两个点a1和a2的结合点确定线A。类似地，另外两条线B和C由点b1和b2以及c1的连接点确定 和C2。 两条线或零螺距螺杆$ab和$αβ被称为一对共轭，其极性特性，如二次曲线，遵循Joachimsthal线性复合体的中心轴是ISA，它是由两个扭转的线性组合决定的;因此，如果复合体的所有线都围绕这个中心轴进行螺旋运动，复合体本身不会改变。垂直于直线A的极平面a存在于极点ra =（ a1 + a2）/2处。同样地，两个额外的极平面β和y以及它们的对应-ing波兰人，存在.三个极平面α、β和y及其相应的极点ra、rb和rc确定了一个线性复形。要通过纯旋转将点a1映射到a2，旋转轴必须位于极平面α内。以类似的方式，经由旋转的点b1到b2的映射必须围绕位于极平面β中的轴发生。唯一满足这两个限制的轴是交线$αβ由两个极平面α和β确定。下一步是将点c 1移位到c2，而不干扰点a 1和b 1分别映射到a 2和b 2。这是通过围绕连接两个极点ra和rb的线$ab的纯旋转来实现的。$ISA由两个零螺距的扭转$αβ和$ab的线性组合确定。因此，扭转$ISA是在圆柱面上（$ab; $αβ）。给定两个零螺距螺钉$ab和$αβ，我们确定它们的公法线，并让与主坐标系相关的公法线位于沿着这条节点线。我们可以看出，椭圆柱面的所有螺旋都垂直于节线。两条底线$ab和$αβ被称为一对共轭，表示正交性[22]。另一个圆柱面（$bc; $βy）由两个断面$βy和$bc定义。$ISA是$ISA的自由矢量分量，通过认识到垂直于两个圆柱体（$ab; $αβ）和（$bc; $βy）的节轴的唯一方向是（$ab×$αβ）×（$bc×$βy）其中，扭转幅度比k通过将自由矢量部分$ab+ k$αβ与$ISA交叉来确定。随着ISA周围小幅度的扭曲，标记移动到相邻点（图3）。为了克服标记处的力（该力与连接两点的线无关）影响这种运动，不需要做功;因此，垂直于线通过标记的每条线2.3 计算机辅助规划构建患者特定膝关节模型理解膝关节的关键是认识到它的运动是螺旋形的;膝盖不是一个简单的铰链关节[39]。IKA的这种螺旋作用为膝关节的任何位置提供了稳定性，而这种稳定性是直的上下铰链关节所不能提供的。还可以得出结论，内侧和外侧接触中的约束的反应仅通过它们抵抗足部载荷的站立阶段以扰乱膝关节平衡的成功来表现作为这种方法的验证，我们访问了为了验证我们的特定膝关节模型作为解决步态站立阶段IAK的治疗方法，我们将我们的输出与针对内侧和外侧接触力生成的已发表实验数据集[40]进行了比较。可用的定量信息包括运动捕获运动学、荧光透视数据、地面反作用力、肌电图（EMG）数据以及内侧和外侧膝关节接触力[40]。数据收集自一名成年男性受试者（受试者JW，体重65 kg，身高1.7 m）的右侧全膝关节置换术所述受试者的步态试验证明了躯干内侧-外侧摇摆步态模式。然后，我们的研究使用以下协议来预测约束的反应（图4）。膝关节连接模型的输入包括实验运动学（在髌骨、小腿和大腿处采集的表面标记数据的x-y-z轨迹）和从受试者的右膝关节器械获得膝关节X线片包含膝关节区域的额状面视图，并提供有关韧带和接触面约束的几何信息在步骤1中，使用受试者数据生成小腿和大腿的ISA。在步骤2中，三轴定理[35]被用来获得$ISA=（$ab） ×$αβ ）×（$bc×$βy（三））保持膝关节的ISA，即，IAK，来自先前获得的两个轴。在步骤3中，12元的ISA是两个圆柱面的交点（$ab;$αβ）和（$bc;$βy）使得$ISA= $ab+ k$αβ（4）连接膝关节模型用于定位与接触力相关的一组螺钉然后，我们通过将测量的膝关节内侧和外侧接触力与预测的接触力进行比较来测试我们的计算框架。60W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~66图4.用于预测膝关节模型约束力的计算框架的图示限制膝关节运动的五个约束的反应被示出为射线照相图像的叠加。这些反作用力将抵消与IAK相反的约束歧管中螺钉上的每个扳手因此，将不需要做功来影响沿IAK抵抗约束处的力的移动，该力与IAK是相互的（改编自Kim等人发表的原始图[15]）作为膝关节模型的成像补充，在健康受试者中生成腓肠肌外侧肌的一部分生成的图像具有一个感兴趣区域，对应于解剖横截面积最大的肌肉边界。受试者接受了全身磁共振检查磁 共 振 成 像 扫 描 仪 （ Signa HDxT 1.5T ， GEHealthcare，USA）。将受试者置于仰卧位，脚先着地，注意将受试者的腿长轴平行于磁场放置。使用扩散张量成像和梯度回波T2序列对右小腿进行成像[41]。那就...W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6661单个肌纤维p极极性平面Q图5.在健康受试者中产生的腓肠肌外侧肌的一部分的纤维追踪成像图像由一个感兴趣区域生成，对应于解剖横截面积最大的肌肉边界将受试者显示了单个肌纤维内的极和极平面（改编自Kim等人发表的原始图[15]）在每块肌肉上进行较大纤维束造影。我们的研究证明了使用来自医学成像的纤维束成像提供人体小腿肌肉的体内三维结构和确定肌肉显微结构参数的可行性。在腿部处于放松位置的情况下，我们没有使用图像采集来实际识别运动期间单个纤维的线复合体;相反，我们引入了示例图像来描述一种方法，通过该方法，运动神经元群体可以唯一地确定三维起搏中IKA的方向[42]。3. 结果纤维束成像的结果显示了与膝关节稳定性相关的多种纤维（图5）。当一致时，纤维表示由单捻P限定的线性线复合体。纤维段上的每一点都有一个速度矢量，它与穿过它的螺旋线相切不与P的扭转轴重合的每个点被称为极点。与每个极点相关联的一个几何分量极平面及其相应的极点由单个纤维内的瞬时螺旋轴P限定我们的模型中的典型步态模式可以用两组ISA进行图形化可视化，定义为：$1（图6（a）小腿）和$2（图6（b）大腿）。在站立阶段开始时，典型步态模式产生ISA的典型形状，小腿和大腿在横向平面（第一轴，在图6（a）和6（b）中由“1”指示）中的小腿的运动路径显示出独特的轮廓，其特征在于扁平形状的轴偏移，而大腿的ISA呈圆形。这两种ISA都是相对于全球参考框架表示的通过小腿和大腿的两个ISA的线性组合来确定动态IAK此外，由于IAK将诸如GRF和IAK（在图7中放大的子图）的冲击力之间的对应的相互连接相关联的问题增加了一个额外的组件以促进这种奇偶性（这在ISA方面尚未被报告因此，通过感知-动作耦合流形，脉冲反作用力和瞬时螺旋之间存在一一对应关系，或者换句话说，瞬时螺旋和脉冲螺旋的复合体是投射的。在本文提出的模型中，考虑了一阶自由度平衡条件，使膝关节仅能绕IAK自由扭转给定的GRF可以由任何肌肉上的适当强度的扳手代替GRF和扳手都组合成替代扳手，其与IAK互补，并分解成属于互补螺钉系统的组件扳手（此处分别显示为图8和图9中的外侧和内侧接触力躯干的膝关节数据-62W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~66（一）（b）第（1）款图6.从股骨柄（a）和大腿（b）的后内侧观察的瞬时螺钉轴（ISA）的三维视图。轴的端点位于与内侧和外侧“Lat”矢状面的交点处，距离全局框架原点-60 mm至60 mm。第一个轴，由“1”表示红色箭头指示每个新轴以后续0.05秒增量迁移的路径。（改编自Kim等人[13]和Kim等人[29]发表的原始数据。）将数据集的摇摆步态试验与模型预测进行比较预测的最大内侧贴靠力为1，092.0 N，按受试者体重（BW）换算报告的最大体内内侧贴靠力范围为1.2 - 2.0 BW，通常保持在1.2 - 1.7 BW之间 [40]。在整个站立阶段，观察到脚与地面接触期间的均方根（RMS）误差，外侧和内侧分别为148.1 N和147.3 N4. 结论本文的目的是回顾一个连接瞬时螺旋和GRF的感知-动作耦合流形在约束反应估计中的应用通过膝关节ISA的仔细生成，零功约束连接到IAK，其虚功自动为零。然后，只需要肌肉力量与GRF平衡，因为它们被排除在与IAK倒数的约束之外耦合流形易于理解和实现W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6663在简化的计算框架的意义上。我们已经证明了一个感知-动作耦合流形，这是在两个螺旋轴表面在站立阶段产生的，可以解释步态运动学和施加的外力之间的相互作用。因此，在感知-动作耦合流形中的互易条件的形状可以被视为在所有承载生理条件下步态模式的分析的最小单元如本文所述，GRF和IAK之间GRF与IAK的独特关系及其应用可能为物理治疗研究提供一个新的领域。关注步态障碍治疗方法的患者特异性基础或个性化医学的临床意义方面的进展是有意义的我们已经阐明，如果膝关节在平衡状态下具有一阶自由度，则充分必要条件是作用在关节上的力应构成作用在五阶螺旋系统的一个螺旋上的扳手。然后，该扳手与螺钉相互作用，这限定了膝关节的自由度因此，我们看到，空间中的每一条直线都可能是一个螺丝钉的住所，一个扳手，它与物体的平衡是一致的我们证明了肌肉协同作用相当于一个复杂的线，一个流形近似的个别纤维。然后我们看到在水平运动中，活动肌肉几乎没有缩短，并且执行很少的工作，但提供支撑体重所需的力经济上运动经济性是通过肌肉作为主动支柱而不是工作机器来改善的[30]。由于在步态期间由于干扰引起的肌肉的同时激活必须被复合到往复螺旋系统中，这些力将被约束的反作用抵消，这反过来将增加这些反作用。该特征与许多现代计算方法形成对比，其中反馈和前馈控制器在肌肉激活中获得增益[17]。这些方法不一定具有任何生物物理学意义，但代表了一种控制优化方案，将模型的运动学它也遵循的约束的反作用力，其中的运动限制的膝盖扭转周围的螺丝的IAK只能是扳手上的倒数螺旋系统的第五次。约束的反应只表现为它们成功地抵抗了某些扳手的努力，即，施加GRF，这会扰乱膝关节的平衡传统方法通常仅考虑约束的反应，其限制膝关节的内翻/内翻旋转在这种情况下，不包括由脉冲肌肉力引起的约束的脉冲反应，如果膝关节完全自由，则该脉冲肌肉力将引起关于IAK的瞬时运动通常使用胫骨额面内收/外展力矩的静态平衡来确定贴靠力[6]。这一模式的预测之间存在着相似图7.在运动数据时间序列期间的IAK跟踪验证中，膝关节ISA螺钉显示为几乎与GRF的倒数螺钉一致，如放大平移视图所示。这种代表性的分析表明感知-动作耦合流形。该歧管是一种特殊的配置，可以在GRF中的相应往复螺钉上施加相当大强度的扳手，而不会使膝关节上的扭矩过载。蓝色箭头表示步态路径。（改编自Kim等人发表的原始图。[14]）64W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6670060050040030020010000 20 40 60 80100站立阶段（%）预测值身体计算机模型和分析执行从仅仅知道的自由度的顺序，这是强制性的约束。然而，本文的中心问题不是接触力是否可以准确地预测接触力通常受到主要关注，因为常规研究将这些与病理条件相关联。在这里，我们用感知-动作耦合流形代替这些接触力作为操作化参数。我们引入这个概念是为了从理论上合理的状态变量创建和控制流形图8.我们的理论结果之间的比较方法和步态试验期间从膝关节器械收集的数据横向接触处约束力的预测值和测量值具有RMS误差可比性= 148.1 N。结果最初发表在Kim等人[15]中。12001000800重要的是要认识到，逆动力学模型基于膝关节为铰链关节且力矩由力矩电机产生的假设计算关节反作用力[47]。实际上，膝关节与旋转致动器没有任何相似之处;相反，它是通过上述五个变量的精心设计的系统、往复螺旋系统和肌肉来移动的[24]。将肌肉力正确解析为约束对于关节接触力的准确计算具有重要意义，因为肌肉收缩会增加接触力[40]。我们证明了如何通过减少扳手约束的脉冲反应在60040020000 20 40 60 80100站立阶段（%）预测测量在大多数情况下，当GRF上的扳手不沿着往复螺钉时，膝关节上的反作用扭矩必须合成为扳手ρ，其与IAK相反。在这个倒数系统上的ρ的分量扳手必须被约束的反作用中和，从而导致约束的更大载荷[13]。因此，我们提出，在知觉-动作耦合流形中呈现的螺旋轴表面受调谐的影响较小图9.一个类似的比较结果，我们的理论方法和步态试验期间从膝关节器械收集的数据[40]。内侧接触处限制力的预测值和测量结果最初发表在Kim et al. [15]第10段。El和之前的研究[45]，其目的是确定个体肌肉如何对轴向胫股关节力做出贡献在我们的研究中，站立阶段的膝关节负荷模式表明有两个主要的峰值力水平，第一个峰值出现在站立阶段的早期，第二个峰值出现在步态周期的后期（图8和图9）。内侧间室比外侧间室承受更大比例的净载荷。还观察到我们方法的预测与仪器化关节数据之间存在轻微差异接触力的预测值和实际值之间出现差异的程度可归因于我们的建模方法不包括常规的完整的这些参数可能是步态相关疾病的基础我们还提出，螺钉轴表面是识别受试者特定步态信号的基础或允许识别受试者特定步态信号。膝关节ISAs与其相应GRF相关的配置以前尚未报道，也未被视为步态障碍诊断和治疗的重要因素。然而，我们注意到，在汽车工业中，已经提出代表车辆悬架的ISA表面据报道，目前主要依赖于多体动力学工具的车辆动力学性能指标似乎不足以代表车辆的基本性能，因为调谐元件（如弹簧）的影响我们的线性复数方法与坐标变换方法的不同之处在于，它可以直接从其坐标既方便测量又参考GRF的标记生成ISA，并且独立于坐标系。线性复数方法通常不如坐标变换流行怎么--内侧贴靠力（N）横向接触力（N）W. Kim等人/Journal of Computational Design and Engineering，Vol.号11（2014）55~6665它的独特之处，在所获取的运动捕捉数据可直接应用的情况下，可以提供IAK相对于相应GRF的定位这项研究是有限的，因为我们只提出了案例研究数据。因此，我们建议未来研究的几个领域：1）进一步测试患有各种步态障碍的患者，以及膝关节的身体活动水平，以更好地了解步态期间膝关节运动学和体内负荷之间的相互作用; 2）包括代表约束的结构组件的更准确的知识; 3）探索如何将用于ISA和GRF确定的计算技术转化为应用临床实践中的这些改进可能包括支持患者及其临床医生的临床计划的有效性总之，综述的计算技术表征了体内膝关节载荷的动态对线该方法证明了与GRF相关的IAK的对齐减少了内侧/外侧隔室上的有效载荷，从而将反作用（制动）扭矩传递到肢体的结构。这种对齐消除了关节内的内部反作用（制动）扭矩和力。可以针对步态相关疾病的治疗后结果设计专门的矫正或矫形治疗，其丰富地解决了相互配置应用该方法的优化处理需要进一步研究。总体而言，这种新方法的基本几何特征似乎特别适合为个体变化提供生态解决方案因此，一个简化的框架已被描述在这里作为一个可行的基础，使步态分析更临床有用的诊断特异性。致谢作者WK感谢瓦伦西亚天主教大学的Cristina MonleónGarcía女士，她是一位热情的舞蹈家，她在这项研究中给予了灵感。作者WK还感谢他的女儿April Kim和儿子Dennis Kim对这项研究的不断鼓励用于确认模型的实验数据由预测体内膝关节载荷的大挑战竞赛提供，作为国家卫生研究院资助的共生项目的一部分（GrantU54 GM 072970）。作者SSK通过与克拉克森航空航天公司（PI：Yu Liang博士，合同FA 8650 -05- 1912）和美国空军研究实验室（PI：Dr.金伯利·DKendricks，Contract SOO Task Number 18 and Topic Title：3.2.2.2.4Human Centric ISR Sensors），两者均作为Central StateUniversity（Ohio）的子奖项引用[1]Chao EYS，Sim FH.膝关节截骨术的计算机辅助术前计划。爱荷华骨科杂志.1995; 15（1）：4-18.[2]Shah M，Spilker R，Koff MF，Lipman J.患者特定三维膝关节模型。在：2011年IEEE第37届东北生物工程年会（NEBEC 2011）; 2011年4月1日至3日;特洛伊，纽约;第1 -2页。[3]Garg A，Walker PS.使用三维计算机图形模型预测全膝关节运动。生物力学杂志。1990; 23（1）：45-58.[4][10] Martelli S，Ellis RE，Marcacci M，Zaffagnini S.全膝关节置换术运动学：计算机模拟和术中评价。关节成形术杂志。1998; 13（2）：145-155.[5]德尔普SL，安德森FC，阿诺德AS，贷款P，哈比卜A，约翰CT，Guendelman E，泰伦DG。Opensim：创建和分析 运 动 动 态 模 拟 的 开 源 软 件 。 IEEE Transactions onBiomedical Engineering. 2007; 54（11）：1940-1950.[6]Gerus P，Sartori M，Besier TF，Fregly BJ，Delp SL，Banks S A，Pandy MG，D'lima DD，Lloyd DG.受试者特定的膝关节几何结构改善了内侧胫股接触力的预测。生物力学杂志。2013; 46（16）：2778-2786[7]Steele JR，Basu A，Job A.使用磁共振成像的女性运动员膝关节的三维表示。医学工程与物理1994; 16（5）：363-369.[8]Neptune RR，Clark DJ，Kautz SA.人类行走的模块化控制：模拟研究.生物力学杂志。2009; 42（9）：1282-1287.[9]Neptune RR，Mcgowan CP，Fiandt JM.肌肉生理学和先进技术对运动成绩的影响。生物医学工程年鉴。2009;11：81-107.[10] Neptune RR，Mcgowan CP，Kautz SA.正向动力学模拟提供了对人类运动过程中肌肉机械功的深入了解。运动与体育科学评论. 2009; 37（4）：203-210.[11] 作者：Ting LH，McKay JL.姿势和运动的肌肉协同作用的神经力学。神经生物学当前观点。2007; 17（6）：622-628.[12] 托 多 罗 夫 感 觉 运 动 控 制 中 的 最 优 原 则 。 NatureNeuroscience. 2004; 7（9）：907-915.[13] Kim W，Veloso AP，Araújo D，Vleck V，João F.一个信息框架，预测反应的约束，使用一个连接的膝盖模型。生物力学与生物医学工程计算机方法。2013; 1-12. 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