步態(tài)分析主要是指從運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的層面對(duì)足踝步態(tài)進(jìn)行理論研究和模擬仿真,從而為研究人體運(yùn)動(dòng)提供一定的理論指導(dǎo)和學(xué)理支撐。針對(duì)足踝在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各組織受力及力傳遞復(fù)雜的問(wèn)題,本文以足踝為研究對(duì)象,建立足部骨骼模型,通過(guò)步態(tài)運(yùn)動(dòng)介紹、逆向工程技術(shù)、Opensim仿真以及有限元仿真對(duì)足部運(yùn)動(dòng)及其力學(xué)功能進(jìn)行了理論分析與仿真研究,并根據(jù)探究結(jié)果針對(duì)跟骨及骨折模式的治療做進(jìn)一步分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:（1）足踝步態(tài)介紹及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過(guò)對(duì)足踝骨肌系統(tǒng)的簡(jiǎn)介,步態(tài)分析流程和周期的研究以及踝關(guān)節(jié)活動(dòng)方式的研究,建立系統(tǒng)坐標(biāo),并以此為基礎(chǔ)結(jié)合步態(tài)理論研究進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（2）足踝骨肌模型的逆向重建。以計(jì)算機(jī)斷層成像理論為依據(jù),進(jìn)行研究對(duì)象的數(shù)據(jù)采集和處理,生成足部醫(yī)學(xué)圖像,并根據(jù)逆向工程技術(shù),通過(guò)MIMICS軟件對(duì)足踝模型進(jìn)行逆向建立,同時(shí)根據(jù)表面處理技術(shù),利用Geomagic Warp軟件對(duì)腿足模型做精細(xì)化處理。（3）足踝行走、跑步和跌落的步態(tài)研究。利用人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件Opensim對(duì)人體正常行走、跑步和高處跌落等步態(tài)展開(kāi)研究,生成步態(tài)變化的一系列曲線,根據(jù)研究結(jié)果結(jié)合骨肌建模仿真基本原理,... 

【文章來(lái)源】：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼寧省

【文章頁(yè)數(shù)】：76 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

足踝部組織構(gòu)造Fig.1.1AnkleandTissueStructure

括內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是很難保證切片同等厚度且工作量較大，可能會(huì)使數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生誤差甚至錯(cuò)誤。③幾何建模法。這種方法針對(duì)形狀比較規(guī)則，可以進(jìn)行參數(shù)化建模的物體能夠達(dá)到非常好的效果，但是在足踝骨骼研究方面由于骨骼形狀復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確的捉捕其參數(shù)特征。④圖像處理。這種方法是通過(guò)CT掃描得到模型的二維數(shù)據(jù)圖像，但需要人工識(shí)別和操作，操作量較大且難免會(huì)產(chǎn)生定位方面的錯(cuò)誤。⑤CT逆向重建。這種方法是通過(guò)CT掃描后得到模型數(shù)據(jù)，它既保證了模型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性又方便快捷，非常適用于人體骨骼這種形狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則的模型。如圖1.2所示是通過(guò)逆向重建得到的股骨模型。圖1.2逆向重建的股骨模型Fig.1.2Femoralmodelofreversereconstruction（2）足踝生物力學(xué)仿真分析目前數(shù)字化醫(yī)療中足踝生物力學(xué)仿真分析的主要方法是通過(guò)健康的組織來(lái)模擬衰老，病變或者發(fā)生突變斷裂情況。通過(guò)有限元方法來(lái)仿真一些實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究運(yùn)動(dòng)機(jī)理，或者是來(lái)模擬一些病變狀態(tài)，來(lái)研究病變形成機(jī)理，通過(guò)分析和比較內(nèi)外部因素對(duì)足踝產(chǎn)生的作用，研究足踝各組織產(chǎn)生變化時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化，包括各關(guān)節(jié)面的接觸變化、各組織見(jiàn)應(yīng)力傳遞、外界產(chǎn)生的接觸反應(yīng)等，通過(guò)這些變化量來(lái)研究和探討足踝在臨床上的出現(xiàn)的各類難題。如圖1.3所示是考慮穿高跟鞋后不同的步態(tài)周期對(duì)足踝關(guān)節(jié)和韌帶產(chǎn)生的影響[11]：

第1章緒論3（a）后跟著地期（b）站立中期（c）蹬地階段圖1.3穿高跟鞋下的步態(tài)模擬Fig.1.3Gaitsimulationinhighheels（3）跟骨骨折研究目前研究過(guò)程中，對(duì)于跟骨骨折機(jī)制的研究主要有兩種方法[12]：即實(shí)驗(yàn)分析法與理論分析法。實(shí)驗(yàn)分析包括尸體實(shí)驗(yàn)與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，其中尸體實(shí)驗(yàn)仍被認(rèn)為是生物力學(xué)研究的金標(biāo)準(zhǔn)，但是也存在很多缺陷如：實(shí)驗(yàn)的標(biāo)本、手段、資本、時(shí)間、效率等條件比較苛刻，而且無(wú)法反映不同受力情況下足踝內(nèi)部各部位的應(yīng)力傳遞機(jī)制，并且不能模擬受傷的動(dòng)態(tài)過(guò)程；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)標(biāo)本獲取相對(duì)容易，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)論無(wú)法推論到人。而理論分析可克服上述缺點(diǎn)，通過(guò)圖像建立人體模型，進(jìn)行相應(yīng)的分析仿真。尤其是近年來(lái)隨著科技的提高，越來(lái)越多的人通過(guò)有限元法對(duì)足踝進(jìn)行研究，并取得了一定的進(jìn)展，但許多研究仍然存在結(jié)構(gòu)等方面的缺陷。而對(duì)于跟骨的三維模型建立及生物力學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)研究在文獻(xiàn)中報(bào)道也不多，其骨折機(jī)制以及分型多種多樣，因此至今未形成一致的意見(jiàn)。1.2.2研究意義人體足踝步態(tài)的研究，屬于交叉學(xué)科領(lǐng)域，涉及了運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、人體生理學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，其相關(guān)研究在康復(fù)工程、助力行走、足部醫(yī)療、體育訓(xùn)練等領(lǐng)域均具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。（1）康復(fù)工程利用很多技術(shù)和方法分析人體足踝結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研制出促進(jìn)人體恢復(fù)的器械或輔助人體康復(fù)的相關(guān)產(chǎn)品。如圖1.4所示為典型的一種踝足矯形器（AFO）——一種戴在小腿和腳上的支撐器，用于支撐踝關(guān)節(jié)，將腳和踝關(guān)節(jié)保持在正確的位置，并糾正腳的跌落。圖1.5是設(shè)計(jì)的足底測(cè)力鞋墊，在研究和臨床設(shè)置中通常使用鞋內(nèi)壓力測(cè)量裝置來(lái)量化足底壓力。

【參考文獻(xiàn)】：
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