整体式膝关节免荷矫形器的设计与性能评价

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1、上海交通大学硕士学位论文整体式膝关节免荷矫形器的设计与性能评价硕士研究生：赵春霞学号：1110209106导师：罗云教授申请学位：工学硕士学科：机械设计与理论所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterDESIGNANDPERFORMANCEEVALUATIONOFANOVERALLUNLOADINGKNEEBRACECandidate：Ch

2、unxiaZhaoStudentID:1110209106Supervisor：ProfLuoYunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：2015.1Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity整体式膝关节免荷矫形器的设计与

3、性能评价摘要膝关节作为人体最复杂最大的承重关节，其伤病率也位于所有关节之首。膝关节骨性关节炎是中老年人的高发疾病，关节载荷过大是导致或加速其病变的主要原因之一。因此，减小关节压力是治疗膝关节骨性关节炎的重要方式。而免荷矫形器作为减小膝关节压力的一种外部辅具，在康复工程中得到广泛的使用。本文首先介绍了膝关节的解剖结构和运动特征，以及骨性关节炎的病理学特征和病因，详细分析了关节压力对于骨性关节炎的影响。列举了减肥、“三点力学”免荷矫形器和整体关节松动手术三种降低膝关节压力方式的研究成果，说明了“免荷”对于治疗膝关节

4、骨性关节炎的重要性。其次，从生物力学的角度出发，建立了膝关节的力学模型，阐述了楔形鞋和“三点力学”免荷矫形器的工作原理。定性分析使用楔形鞋和“三点力学”免荷矫形器后膝关节的受力情况的改变，发现使用后膝关节患侧的压力减小，另一侧的压力增大，这两种器械对于双侧骨性关节炎患者是无治疗效果的。因此，本文提出了整体免荷矫形器的概念，阐述了整体免荷矫形器的原理与设计，建立了佩戴整体免荷矫形器后膝关节的力学模型。然后，针对提出的整体免荷矫形器的设计与力学模型，搭建了生物力学实验平台，验证了该矫形器对膝关节免荷的可行性。该实验

5、定性分析了矫形器的安装位置以及大腿托与大腿之间的压力对矫形器免荷能力的影响。实验结果显示，矫形器的安装位置位于膝部的前侧偏上方时，矫形器的免荷力较大；增大绑带与大腿间的压力能够提高矫形器的免荷能力，但压力过大会导致膝关节的运动受阻。I最后，从运动学的角度出发，设计步态实验，对比佩戴矫形器前后，人体步态的步幅、步长、步速等时空参数以及膝关节的屈伸角度、内旋外旋角度和内收外展角度的变化。实验结果显示，该矫形器对于步态的时空参数的影响不大，佩戴矫形器后不影响膝关节的屈伸动作，初步评价了整体免荷矫形器的有效性。关键词；

6、骨性关节炎;膝关节矫形器;关节免荷;力学模型;步态实验IITHEDESIGNANDFUNCTIONEVALUATIONOFANOVERALLUNLOADINGKNEEBRACEABSTRACTAsthemostcomplexandlargestweight-bearingjointofhumanbody,knee’sinjuryrateisthehighestinalljoints.Theincidencerateofkneeosteoarthritisisveryhighintheelderly.Overlo

7、adingisoneofthemainfactorsthatcauseoracceleratethekneeosteoarthritic.Hence,loadreductionisanimportanttreatmentmethodofkneeosteoarthritis.Asakindofexternalassistivedevice,unloadingbracesarewidelyusedtoreducetheloadinthekneeintherehabilitationprocess.Thisthesi

8、sfirstintroducedtheanatomicalstructureofthekneeanditsmotion,aswellasthepathologicalfeaturesandtheetiologyofkneeosteoarthritis.Thenthebiologicalinfluenceofkneepressureonkneeosteoarthritisisanalyz