在平地行走时踝关节受力分析.doc

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1、在平地行走时踝关节受力分析利用Anybody分析平地行走时踝关节的受力情况Anybody是一个用于人体仿真研究的实验软件，结合动作捕捉仪、压力传感器等配套仪器，可以对人体的肌肉、关节受力情况进行模拟仿真计算，从而为人机工程学或生物力学研究提供可靠的数据支持。图1是Anybody中的人体模型。本实例是为了研究全踝关节置换术（TAR）而进行的踝关节及相关结构的人体仿真受力分析。图1一、实验目的和应用领域该实验的目的是采用移动分析功能作最新的全踝关节置换术虚拟评估，研究踝关节替换失败的原因以及人工踝关节的设计优化问题。实验的相关的科研

2、领域有汽车室内设计、人造关节设计、人造假肢等，同时，在体育运动、宇航员动作研究领域也很有参考和应用价值。图2二、研究背景和意义全踝关节置换术由于缺乏可靠性，长期以来，其研究一直不及全膝关节置换术和全髓关节置换术。从70年代到现在，踝关节的受力情况一直没有相关文献的的数据支持。如今，结合人体模型和动作捕捉仪，利用Anybody模型分析系统可以对踝关节的受力情况作研究。对全踝关节置换术的研究意义重大。它对于治疗踝骨关节疾病，如关节炎等具有重大的理论指导作用。人造踝关节能够维持该关节的正常活动,支撑附近相关结构的负载。因此，可靠的数据

3、对于此类人造器官的设计具有不可或缺的参考价值。图3三、TAR的缺陷踝关节的关节尺寸比较小，承受的瞬时冲击力大，由于站立，踝关节承受的压力也很大。一般的人造关节，忽视了生物解剖学的组织形状，而利用生物学中的踝关节生物机械学来进行设计。因此对正常关节的复制性就比较低了。四、已有的数据文献图4到图6是已有的关于踝关节受力情况的分析。这些分析图来自70年代的文献，因此并不是特别准确可靠。图4图5图6FA.前胫骨腱张力FK.跟腱张力FN.踝关节压力FT.踝关节切向力五、Anybody模型仿真应用Anybody进行踝关节的受力分析，大致分为

4、四个步骤，一是步法信息采集，二是人体模型的构建，三是求解程序的选定，四是数据分析。首先,利用Vicon系统来收集步法信息。在人体的下肢布置22个标记点（如图7）,通过动作捕捉仪捕捉被试者的行走动作，并把各个标记点的数据传入到计算机中，生成步法模型，如图图7Vicon系统信息ViconCamerasMxF408Camerasused4MegapixelDatatakenat50HzProspectiveDatatobetakenon120Hz图8Vicon动作捕捉仪如图9所示，共有8个摄像机，可以实现4M像素收集，数据采集频率是5

5、0Hz.理想的数据采集频率是120HZo图9受力采集是利用KISTLER力盘。力盘有8个采集点，Z轴4个，X和Y轴各两个。采集频率在1000Hz左右。如图10所示。8Channels:4onZ-D,2onX-Dand2onY-DAnalogueDataat1000Hz图10步法信息采集完成之后，开始构建Anybody的人体模型。用电脑构建一个踝关节的人体肌肉■骨组织模型，利用这个模型来预测踝关节以及周边薄膜组织的受力情况。此实验中的Anybody人体模型的躯干部分不需要肌肉，下肢要比较精细的肌肉组织，踝关节周边的肌肉组织要尤其精

6、致。构建完成的人体模型如图11所示。图11模型构建完成后，选定所需要的求解程序。本实验中选用的肌肉补充求解程序是极值求解程序和二次方程求解程序。受力收集的部位为踝关节、跟腱、胫骨前肌等。进行步法仿真，如图12所示。其中t是行走时的真实时间。图12经过Anybody的仿真计算后，可以得到左右踝关节、左右跟腱、左右胫骨前肌的极值分布图，二次方程图线。对图线进行拟合、分析、比较，从而得到关于踝关节受力情况的可靠实验结果。这些数据将为相关研究提供支持。有关的解决方案图线如图13到图17所示。图13右、左踝骨极值曲线图14右、左踝骨二次方

7、程曲线图15图16图17踝关节矢量比较经过如上分析和比较，最终确定了踝关节的总体受力情况图线。如图18所示。由图可见，在平地行走时，4秒左右的时候踝关节收到的合力是最大的。图18右踝关节总体受力情况六、Anybody应用总结通过此实例的分析，可以初步了解应用Anybody软件进行人体仿真实验的步骤。首先进行动作信息的采集，然后根据需要构建人体的骨骼、肌肉模型，设定求解程序，之后进行仿真实验，得到相关的数据曲线，进而进行分析、综合，得到相关的器官受力情况。利用得到的结果作为参考,可以在相关产品的设计当中充分利用，使得产品符合人机工

8、程学的要求,健康、好用。参考文献[1]MikeArakiloJointForceswithintheAnkleduringLevelWalking