足踝步态模拟机仿真度的验证及其在生物力学研究中的应用

摘要

目的 建立足踝步态模拟仿真平台,探讨其在足踝生物力学研究中的应用。方法 2017年11月至2018年4月,对捐献的6具足踝部新鲜冰冻标本进行生物力学研究。捐献者包括3名男性和3名女性,年龄48～69岁,平均58.8岁；均无足踝部疾患。利用4个独立电动机牵拉足踝部标本分成4束的9条肌腱,分别是内侧肌腱（胫后肌腱、长屈肌腱、趾长屈肌腱）、外侧肌腱（腓骨长肌、腓骨短肌）、后侧肌腱（跟腱）、前方肌腱（胫前肌腱、长伸肌腱、趾长伸肌腱）,由6个电动机驱动的平台提供胫骨的六自由度运动,独立液压系统提供胫骨轴向压力,驱动新鲜足踝标本完成一个步态周期。采集标本在步态周期中踝关节运动学和足底地面反作用力数据,与正常人体步态参数相比较,从踝关节运动学和足底地面反作用力两个维度研究该机器的步态模拟仿真效果。结果 步态周期中踝关节运动表现为矢状面上先跖屈,约在18%步态周期时达最大跖屈（约10°）,而后发生背伸运动,在步态周期约40%时,达到中立位,步态周期约83%时达到最大背伸（约22°）；在冠状面上,踝关节运动表现为先内翻后外翻,角度变化范围约10°,水平面上踝关节运动范围不大。垂直地面反作用力在25%步态周期时出现第一次峰值,约为体重的1.1～1.3倍,在约70%步态周期时出现第二次峰值,大小略低于第一次峰值；前后方向地面反作用力在步态周期约30%时达到峰值,作用力与足长轴平行,方向向后指向足跟,随后变为向前的推力,在步态周期约83%时达到峰值。在一个步态周期中,内外方向地面反作用力大小变化不大,方向为由足外侧指向足内侧。在6具标本中测得的踝关节角度变化数值和地面反作用力数值的重复性系数均接近或超过0.90。结论 胫骨六自由度足踝步态模拟机,在踝关节运动学和足底地面反作用力的两个参数方面,与人体足踝部运动仿真度较高,可重复性好,符合足踝部生物力学研究的要求。