"膝关节生物力学设计及物理治疗新方法"

计算方法

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计算设计与工程杂志，卷。号11（2014）55~66

www.jcde.org

表征膝关节物理治疗

Wangdo Kim

，António P.Veloso

、Duarte Araújo

和Sean

S.Kohles

，

Univ Lisboa

，

Fac Motricidade Humana

，

CIPER

，

LBMF

，

SPERTLAB

，

Estrada da Costa

，

P-1499-002

，

Lisboa

（里斯本），葡萄

牙

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

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

工程师协会

Techno-Press doi

：

10.7315/JCDE. 2014. 006

W. Kim

等人

/Journal of Computational Design and Engineering

，

Vol.

号

（

2014

）

55~66

美

元

美

元

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（

）和外侧（

）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。

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

（

2014

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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

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（

）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-

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