虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景：在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。 目的：从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。 方法：用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。 结果与结论：直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。     

不同运动步态下锁定加压钢板固定胫骨干骨折的有限元分析

背景：目前有限元分析广泛应用于人体骨折内固定模型的力学分析,但大多研究局限于静态下,动态下的骨折模型有限元分析尚未见报道。 目的：通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态下的应力分布情况。 方法：利用CT扫描获得正常成人胫腓骨及足部的薄层扫描图像;运用相关软件建立其三维模型,在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种类型骨折,并与锁定钢板进行装配生成实验模型,各组模型加载相同的轴向压缩载荷600 N。通过有限元分析软件Ansys 12.0分别测定各组模型在落地相、中立相、离地相三种步态下的应力分布情况。 结果与结论：在步态下,胫骨在骨折各组中的应力分布由小到大均为：落地相<中立相<离地相。锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折中的应力分布由小到大均为：中立相<落地相<离地相;在胫骨中段螺旋形骨折中应力分布由小到大为：离地相<中立相<落地相;提示在运动步态中,钢板和胫骨均在离地相受力最大。钢板的应力集中在中间或边缘;而胫骨的应力分布在骨折线以上靠近近端,骨折线以下靠近骨折线。就胫骨整体而言,呈现两端集中,中间分散的状态。     

一种基于二维云模型理论心电信号ST段的检测方法

背景：目前对于异常ST段的形态特征的评价体系,尚无精确数学化模型分类及识别标准,这阻碍了对某些心血管疾病进行计算机自动识别程序算法的进展。 目的：找到一种符合医学诊断逻辑思维的心电信号ST段分析方法,为心电图ST段变化的实时分析提供新的思路。 方法：针对采集的心电数据模糊性和随机性较大的特点,提出了一种基于两维云模型的心电信号ST段的检测方法,其对二维正态云发生器隶属度进行判断,并进行心电信号ST段的形态判定。 结果与结论：利用Matlab对本算法进行仿真,并通过标准心电数据库(欧共体CSE数据库)中数据进行算法准确性验证,统计结果表明该算法ST段的识别率较高,对于大数据量的心电信号处理快捷有效,为ST段的准确分析提供了新的方法。     

功能性踝关节不稳者的静态平衡能力

背景：目前国内对功能性踝关节不稳者平衡能力的研究较少,并且其平衡能力的缺失也可能是导致踝关节反复损伤的一个重要原因,对其研究能有效地降低损伤概率。 目的：分析功能性踝关节不稳者的静态平衡能力特征。 方法：选取10名男性患有单侧功能性踝关节不稳的受试者为实验组,匹配10名无踝关节伤病的受试者作为对照组。采用win-pod平衡功能检测系统对受试者进行双足和单足的静态平衡能力的测试,双足测试30 s,单足测试10 s,获得评价平衡能力各指标的数值。 结果与结论：双足测试时,无论是睁眼还是闭眼状态下,实验组的各项指标与对照组之间差异无显著性意义(P > 0.05),但双足站立时各指标的值明显都小于单足站立时各指标值,说明在双足站立时,功能性踝关节不稳者的静态平衡能力与正常人差异没有显著性意义,而双足的静态平衡能力比单足的要好。而在患侧足单足测试时,观察发现功能性踝关节不稳者的静态平衡能力略差于正常人,尤其在闭眼状态下。再通过组内X轴平均摆幅与Y 轴平均摆幅的对比发现,在维持平衡姿势的过程中,身体重心的摆动方向基本上以前后方向为主。     

下肢步进摄影获取下肢全长片的精确与可靠性

背景：精确和可靠的下肢全长片在胫骨高位截骨和膝关节置换前准备和置换后评估中都非常重要。 目的：通过下肢步进摄影一次性曝光成像方法获取下肢全长片,并对其进行测量分析。 方法：对13例膝骨性关节炎伴膝内翻患者进行站立位和平卧位的下肢步进摄影获取下肢全长片,由骨科医师在X射线底片上用量角器测量下肢力线角,由放射科医师在计算机屏幕上进行下肢力线角的测量。对所得数据进行差异对比和相关系数研究。 结果与结论：应用下肢步进摄影法一次曝光所得的X射线下肢全长片具有较高的精确性和可靠性,手工测量和计算机辅助测量有很好的相关性(r=0.638- 0.975)。说明下肢步进摄影获取下肢全长片是一种快捷,简便而有效的检查方法。     

正常女性静息及最大用力下盆底结构改变的MRI表现

背景：MRI因其具有无放射性、良好的软组织对比及多层面多轴向扫描成像等特点,可对盆底的整体结构进行精确的评估。 目的：利用MRI观察无症状女性静息状态及最大盆腔用力时盆底解剖结构的变化,为进一步评价盆底功能障碍性疾病建立正常标准。 方法：对23例无盆底功能障碍及其他盆腔疾患的女性行动态、静态盆腔MRI检查,常规观察盆腔器官及盆底结构,在正中矢状位上分别测量不同状态下膀胱颈、子宫颈、肛直肠连接与耻尾线的距离及HMO分度系统中分别测量肛直肠连接到耻尾线的距离(M线)、肛直肠连接与耻骨联合下缘连线(H线);经肛管中部的冠状位上测量肛提肌板的角度的变化,在经耻骨联合下缘的横断位图像上测量盆隔裂孔的面积的变化。 结果与结论：盆腔用力时膀胱颈、子宫颈及肛直肠连接较静息状态下均有不同程度的下降;盆腔用力时肛提肌板的角度及盆膈裂孔面积轻度增大;盆腔用力时H线及M线均有轻度的增大;与静息状态比较,动态时膀胱颈、子宫颈、肛直肠连接的下降、肛提肌板角度的增大及盆膈裂孔面积的增大、H线及M线的增大差异均有显著性意义(P < 0.05)。提示无症状女性静息时及盆腔用力时盆腔器官的位置会有所改变,在耻尾线系统测量和HMO系统上测量,盆腔器官的下降程度均未超过正常范围。盆腔用力时肛提肌板的角度及盆膈裂孔面积均可见轻度的增大。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。 目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。 方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625 mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。 结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

运动干预青少年脊柱侧弯Cobb角的变化

背景：青少年脊柱侧弯康复目前有许多方法,但针对患者的病症,以功能能力为目标运动疗法报道不多。 目的：观察分析运动干预对青少年脊柱侧弯Cobb角恢复的疗效。 方法：对1例15岁青少年脊柱侧弯患者做干预前拍摄X射线片,测量Cobb角度,确定弯屈的位置,根据弯曲位置确定相关肌肉,设计出功能动作,进行针对练习和运动模式练习。运动干预包括：①左腿跨侧栏练习。②左腿侧够橡皮筋练习(左手拉下高于头的皮筋,在橡皮筋弹性回落时及时用脚踝勾住。要求左侧腰部肌肉要及时收缩)。③舞蹈的扒杆动作练习(左侧)：擦地练习、划圈练习、小踢腿练习和蹲练习。④左侧侧压腿练习(拉伸右侧肌肉)。⑤直臂侧下拉皮带(双侧的背阔肌)。⑥俯卧沙袋提拉。⑦左侧单臂悬垂练习。⑧垫上运动：前、后滚翻,肩肘倒立起。⑨腹肌练习(正、侧转)。⑩教了4套韵律体操组合。所有的练习都在音乐控制下完成。共干预约50次,1-1.5 h/次,时间为两个半月。再次拍摄X射线片观察Cobb角的改变,观察干预前后患侧神经肌肉功能的进步情况。 结果与结论：通过两个半月,约50次(每次1.0-1.5 h)训练,使患者的Cobb角34°回到28°,专科医生建议可不用戴支具。说明运动干预对青少年脊柱侧弯Cobb角恢复效果显著。     

虚拟现实技术应用于髋部骨折手术仿真的建立

背景：髋部骨折的病情较复杂,临床医师选择适当治疗方案和手术入路的主要依据来源于影像学检查,常难以准确判断空间立体关系。 目的：探讨基于64排螺旋CT扫描数据对髋部骨折进行虚拟手术设计的可行性和临床应用价值。 方法：将髋部骨折患者.dicom格式CT数据导入Mimics软件,进行图像分割,建立骨折三维模型并进行虚拟复位,将.stl格式复位模型导入Imageware12.0,根据钢板放置位置选择合适长度钢板,螺钉固定。并快速成型形成实体与导航模板。 结果与结论：重建三维可视模型可准确反映出骨折特点、骨折移位方向和程度,并可进行任意旋转观察,实现了内固定手术模拟。可见术前应用计算机辅助虚拟现实手术设计可以制定合理的个体化手术方案,有很好的临床应用价值。     

基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性

背景：Anybody人体建模仿真系统是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件,并且是目前惟一可以分析完整骨骼肌肉系统的软件,利用它可以计算模型中骨骼、肌肉、关节的受力变形。 目的：实验旨在通过计算模型观察手指在冷水刺激环境下食指的灵活性。 方法：参照以往人食指运动实验结果,获得人食指弯曲的运动学参数,利用Anybody软件平台构建正常人手部握拳运动学模型,并进一步构建了包含两根外屈肌(指浅屈肌和指深屈肌)的骨骼肌肉模型,通过逆向动力学分析,考察受冷水刺激前后手部握拳运动时肌肉力和收缩功率等的变化。 结果与结论：冷水刺激后,食指各关节在屈伸过程中的平均角速度较冷水刺激前变小,指浅屈肌的肌肉力变化幅值也较冷水刺激前增大;指深屈肌的收缩功率下降明显,而指浅屈肌收缩功率变化不大。结果证实,冷水刺激会使正常人手握拳动作变慢,且正常人手的指浅屈肌对冷水刺激更敏感,进一步说明指浅屈肌在握拳动作中的重要性。     

牵引夹板治疗骨折时橡皮筋拉伸和应力松弛测试

背景：单纯石膏外固定治疗桡骨远端粉碎性骨折难以实现良好复位和固定,近年来以牵引式夹板治疗的效果较好。 目的：运用生物力学的研究方法,对比分析牵引式夹板治疗桡骨远端粉碎性骨折时橡皮筋拉伸及应力松弛与效果的关系。 方法：236例桡骨远端粉碎性骨折患者按治疗方法分为治疗组和对照组,治疗组实行牵引式夹板治疗,对照组实行单纯手法整复夹板外固定。治疗后定期拍摄X射线片观察骨折愈合情况,腕关节功能采用Dienst评估标准进行评定。采用Instron电子万能材料试验机3367对牵引的橡皮筋进行橡皮筋拉伸和应力松弛实验,测试橡皮筋的最大应力。 结果与结论：按意向性处理分析,全部进入结果分析。患者随访均超过5个月,最长随访13个月。Dienst功能评估：治疗组优68例,良42例,优良率93.2%,对照组优良率52.6%,治疗组优良率显著高于对照组。证实采用牵引式夹板治疗桡骨远端粉骨折,操作简单方便,临床疗效可靠。橡皮筋拉伸和应力松弛实验结果显示,橡皮筋的最大应力为46.97 N,最终应力保持在20.60 N,能够达到桡骨远端粉骨折复位治疗的牵引作用。     

三维重建腰椎椎弓根螺钉置入的精确性

背景：三维重建技术已经广泛应用于椎弓根螺钉置入前规划,但是就其预测参数的准确性目前尚未见直接的分析与报道。 目的：基于CT三维重建技术应用于临床,对腰椎椎弓根螺钉置入前指导作用的精确性作初步分析。 方法：在Mimics软件下,随机对30例行腰椎椎弓根螺钉内固定的患者共136个椎弓根行内固定前CT三维重建,并通过内固定前模拟模块预测钉长、直径、水平面角及矢状面角度并与内固定后实际数据进行统计学比较。 结果与结论：内固定前通过Mimics软件对腰椎行三维重建,设计最佳钉道并模拟置钉,预测椎弓根螺钉长、直径、水平面角及矢状面角度与通过C型臂及内固定中导航系统等方式置钉后实际数据的差异无显著性意义(P > 0.05),并且内固定后行CT扫描见置钉位置及长度均良好。说明通过Mimics软件对腰椎进行三维重建模拟置钉并制定置钉参数,能比较精确的指导内固定中实际置钉,提高椎弓根螺钉的置钉安全。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。 目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。 方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。 结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论。 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能。 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度。 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀。②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板。③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的。结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理。