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膝关节作为人体最大且构造最复杂的关节,极易受到损伤。一般采用全膝置换术对晚期的膝关节疾病进行治疗。而关节置换术并非一劳永逸,很多患者术后都会出现关节失效等问题。目前,很多学者从运动生物力学的角度对骨关节炎发病机理、人工关节失效等问题进行了大量研究,但还未取得突破性成果。尤其,相对于欧美国家,我国的运动生物力学研究起步较晚,很多方面都不够完善。因此,针对国人的运动生物力学研究意义重大。有关运动生物力学的研究中,针对人体步态的研究开展最为广泛。正常人体步态具有周期性和稳定性,能够描述人体基本运动特征。本文采用三维运动捕捉、有限元分析、肌肉驱动模拟等先进的技术手段,对健康人体和接受TKA的患者进行了步态分析和仿真研究。本章所得结论揭示了健康人体下肢关节的运动规律和TKA对人体下肢关节运动的影响,对人工膝关节的设计以及TKA术后康复等都有指导作用。采用三维运动捕捉系统,对健康青年人和老年人在行走和慢跑时的时空参数和运动学参数进行研究。结果显示与青年人相比,老年人的速度和步长都较小,而步频相差不大。青年人和老年人之间存在的步态时空参数的年龄差异主要是老年人步长减小引起的。在行走和慢跑时,下肢关节的运动学参数也存在年龄差异。青年人和老年人下肢关节的运动范围差异与人体运动速度有关。采用三维运动捕捉系统和测力系统,对膝关节损伤的老年女性和健康老年女性在行走时的下肢关节运动学和动力学参数进行研究。结果显示,与健康受试者相比,TKA前患者的速度和步长较小,双支撑期明显变长。同时,患者更倾向于使用健康侧下肢膝关节,双侧髋关节和踝关节的运动会发生一定的代偿性变化。TKA后,患者的时空参数基本恢复到正常水平。而与健康受试者相比,患者下肢关节运动角度仍然存在较大差异,但关节运动力矩有较大改善。采用医学影像扫描和有限元分析技术,研究直立状态和脚跟着地相、单肢中立相、脚尖离地相四个瞬态时,人体膝关节的股骨软骨、胫骨软骨的接触应力分布情况,和人工膝关节的股骨假体、胫骨垫片和髌骨假体的接触应力分布情况。研究结果显示,人体膝关节中,股骨软骨最易产生磨损和病变,并且胫骨内侧软骨比外侧软骨易发生磨损。人工膝关节中,胫骨垫片和股骨假体上应力峰值较大,为容易产生关节失效的部位。采用Open Sim软件建立一名接受TKA患者的肌肉骨骼模型,分析四种步速下,患者手术侧和健康侧下肢主要肌肉的肌力和活动度的变化以及下肢主要肌肉分别引起的质心加速度。研究结果显示,随着步速下降,患者下肢各肌肉的肌力基本呈现逐渐减小的趋势。患者手术侧和健康侧肌肉力和肌肉活性基本一致,而双侧下肢肌肉对身体质心的作用完全相反。