人體下肢多體動(dòng)力學(xué)仿真和步態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究*

張凱璐,何帥恒,趙紫雅,張雪玲,林飛,李佳△,任武△

(1．新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院,新鄉(xiāng) 453003;2．新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,新鄉(xiāng) 453003;3．河南省神經(jīng)傳感與控制工程技術(shù)研究中心,河南省醫(yī)學(xué)VR智能傳感反饋工程研究中心,新鄉(xiāng)市智能康復(fù)設(shè)備工程技術(shù)研究中心,新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

行走是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪饕倪\(yùn)動(dòng)方式,步態(tài)是人類(lèi)步行的行為特征[1]。骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)韌帶等組織通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控,共同維持人體的運(yùn)動(dòng)平衡。腦卒中患者由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變,導(dǎo)致下肢肌肉肌無(wú)力,嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)能力[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙者康復(fù)后,雖然具有行走能力,但其穩(wěn)定性和平衡性較差。傳統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)捕捉方法無(wú)法對(duì)人體下肢行走時(shí)的內(nèi)部特性進(jìn)行分析,因此,基于生物力學(xué)理論建立的人體步態(tài)仿真模型是現(xiàn)階段探究步態(tài)變異內(nèi)在誘因,揭示行走過(guò)程中維持穩(wěn)定機(jī)理的重要方法。通過(guò)該方法對(duì)人體步態(tài)進(jìn)行仿真分析,從肌肉力、關(guān)節(jié)力矩等生物力學(xué)角度深入分析步行時(shí)的步態(tài)特點(diǎn),進(jìn)一步了解人體運(yùn)動(dòng)機(jī)制,可為后續(xù)仿真機(jī)器人等研究提供研究基礎(chǔ)。

本文總結(jié)和闡述了人體下肢多體動(dòng)力學(xué)仿真及步態(tài)穩(wěn)定性的研究進(jìn)展,展望了其發(fā)展趨勢(shì),以期為臨床康復(fù)治療及康復(fù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),提供幫助與數(shù)據(jù)支持。

1 人體多體動(dòng)力學(xué)仿真研究

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,該系統(tǒng)研究已趨于成熟。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要通過(guò)不同的約束方式將多個(gè)物體組成多體系統(tǒng),研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)又分多剛體系統(tǒng)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)兩大類(lèi)。

1.1 多剛體動(dòng)力學(xué)仿真

人體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)逐漸應(yīng)用于人體研究。在對(duì)人體步態(tài)的仿真研究中,為簡(jiǎn)化模型、減少計(jì)算程序,研究者們通常將人體簡(jiǎn)化成一個(gè)多剛體系統(tǒng),利用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,預(yù)測(cè)人體行為。Fasser等[3]基于Matlab程序通過(guò)注釋EOS圖像(雙平面X射線圖像)建立了個(gè)性化脊柱多剛體模型,可用于研究相關(guān)臨床問(wèn)題。Hanavan15剛體模型是常用的多剛體模型之一,關(guān)節(jié)處采用球形鉸方式連接。Onyshko等[4]建立了拉格朗日力學(xué)數(shù)學(xué)模型,可模擬人的步態(tài),但在關(guān)節(jié)的自然韌帶約束以及腳細(xì)分方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。Seth等[5]研究了一種可用于深入了解病理步態(tài)和跑步過(guò)程中肌肉功能的行走模型。Tashman等[6]開(kāi)發(fā)了一個(gè)3D 4段8自由度的模型,準(zhǔn)確再現(xiàn)了往復(fù)式步態(tài)矯形器(reciprocating gait orthosis,RGO)輔助截癱步態(tài)的重要?jiǎng)恿W(xué)。在國(guó)內(nèi),周曉東等[7]將人體建模為12自由度連桿系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了一種可模擬和可視化步態(tài)中絆倒障礙物后,肌肉松弛跌落過(guò)程中身體的運(yùn)動(dòng)分析模型,首次嘗試模擬了人類(lèi)步態(tài)過(guò)程中的跌倒。秦瑞瑞等[8]通過(guò)建立16剛體虛擬人體運(yùn)動(dòng)控制模型,仿真分析了行走過(guò)程中人體的受力情況。楊楠等[9]利用SolidWorks和ADAMS軟件建立符合實(shí)際條件的步態(tài)運(yùn)動(dòng)模型,簡(jiǎn)化了人體模型和約束分析,通過(guò)STEP函數(shù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,以研究腿部運(yùn)動(dòng)軌跡和足底壓力變化的特點(diǎn),仿真數(shù)據(jù)為日后步態(tài)識(shí)別和機(jī)器人研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在人體外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。魏強(qiáng)生等[10]通過(guò)D-H法和拉格朗日法對(duì)外骨骼機(jī)器人單側(cè)下肢進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證了下肢外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定性和有效性。王文遠(yuǎn)等[11]基于動(dòng)作捕捉技術(shù)、幾何法和位姿分離法設(shè)計(jì)了下肢7自由度的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,該模型不僅具有更好的靈活性,還能在任意平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),為后續(xù)機(jī)器人研究奠定了理論基礎(chǔ)。針對(duì)有上肢功能障礙康復(fù)需求的患者,欒曉燕等[12]設(shè)計(jì)了一款三自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人,通過(guò)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃仿真,驗(yàn)證了該上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性,為后續(xù)康復(fù)機(jī)器人的控制優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。建立剛體模型時(shí),研究者們通常不考慮人體各部位的解剖形態(tài),將身體簡(jiǎn)化為幾個(gè)部位。羅小美[13]在建立人體動(dòng)力學(xué)模型時(shí),認(rèn)為把人體前臂看成一塊剛體研究不合理,將前臂根據(jù)橈尺骨分為兩個(gè)剛體,深入全面地研究了快速翻掌產(chǎn)生的前臂慣量和受力情況。Zelik等[14]強(qiáng)調(diào)了在步態(tài)分析中納入足部力量的重要性,指出將整個(gè)腳視為單個(gè)剛體是不正確的。有研究表明,跖趾關(guān)節(jié)對(duì)人體步態(tài)穩(wěn)定性有著顯著影響[15]。

圖1 Hanvan15剛體模型[17]

此外,許多研究在建立運(yùn)動(dòng)模型時(shí),將身體柔性組織考慮在內(nèi)。劉雷等[16]運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模方法建立了17剛體、55自由度的人體動(dòng)力學(xué)模型,充分考慮了人體頸部和下軀干的柔性效應(yīng)。徐志偉等[17]通過(guò)逆向工程學(xué)技術(shù)結(jié)合人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)人體進(jìn)行模型重構(gòu),建立了13個(gè)剛體的人體模型,并將足部進(jìn)行柔性化處理,比較了兩者足地接觸力的差別。

綜上,基于多剛體理論在人體步態(tài)分析的研究中已趨于成熟。隨著技術(shù)的發(fā)展,人體柔性組織在人類(lèi)運(yùn)動(dòng)生活中占據(jù)重要位置。有研究在Matlab環(huán)境中運(yùn)用逆動(dòng)力學(xué)方法開(kāi)發(fā)了一種用于步態(tài)運(yùn)動(dòng)的多體模型,在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中,通過(guò)模擬肌肉在骨表面上的測(cè)地線包裹進(jìn)行建模,而肌肉動(dòng)作通過(guò)Hill肌肉模型來(lái)公式化[18]。

1.2 基于肌骨模型的多體動(dòng)力學(xué)仿真

隨著近年來(lái)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的蓬勃發(fā)展,人體肌骨系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)取得了進(jìn)步,肌骨模型已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究、人機(jī)工程等領(lǐng)域。人體是一個(gè)復(fù)雜的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。其中,骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)連接,組成人體的肌肉骨骼系統(tǒng),又稱肌骨系統(tǒng)。與多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)相比,基于肌骨模型的多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)是基于Hill肌肉模型,針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的仿真技術(shù)。肌骨多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在步態(tài)分析、臨床手術(shù)規(guī)劃領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Kebbach等[19]建立了全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后下肢肌肉骨骼模型,研究結(jié)果從生物力學(xué)角度支持了骨科手術(shù)中髕骨組件的定位,該模型將來(lái)或可作為膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前的分析工具。

常用的肌骨模型建模仿真軟件有開(kāi)源軟件OpenSim和丹麥的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Anybody等。其中,斯坦福大學(xué)的Delp教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的全人體模型是目前最具代表性的肌骨模型[20]。

圖2 下肢肌骨模型

陳瑱賢等[21]基于通用模型建立了全膝關(guān)節(jié)置換的骨肌多體動(dòng)力學(xué)模型,模擬研究了6種后穩(wěn)定型全膝關(guān)節(jié)假體在走路、右轉(zhuǎn)和下蹲 3種生理活動(dòng)下的生物力學(xué)差異,為臨床治療提供了理論支撐。肌肉骨骼建模研究大多基于通用模型進(jìn)行修改,以大致匹配個(gè)體的人體測(cè)量。但有研究指出,通用模型忽略了個(gè)體之間的顯著差異[22]。

陳夕輝等[23]通過(guò)建立個(gè)體化先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)患者全髖關(guān)節(jié)置換( total hip arthroplasty,THA) 下肢骨肌多體動(dòng)力學(xué)模型,和不同偏心距下股骨S-ROM 假體動(dòng)態(tài)有限元模型,研究探討了DDH患者 THA 中股骨偏心距改變的影響。在臨床上,臨床醫(yī)生利用個(gè)體化模型可最大限度地模擬患者情況,對(duì)診療有重要作用。此外,大多數(shù)多體動(dòng)力學(xué)軟件具有有限元輸出接口,可將肌肉力、力矩等仿真結(jié)果作為邊界條件輸出,加載到有限元仿真分析中。Peng等[24]開(kāi)發(fā)了一種受試者特定的肌肉骨骼多體(MSK)驅(qū)動(dòng)的有限元足部模型,研究了5種中/后足關(guān)節(jié)病在步行條件下對(duì)內(nèi)足負(fù)荷的生物力學(xué)影響,該模型可提供站立階段的特定邊界條件,了解特定受試者扁平足畸形干預(yù)中的中/后足手術(shù)治療的生物力學(xué)特性。羅林聰?shù)萚25]將骨肌多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)與有限元法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了肘關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肱骨應(yīng)力、位移的連續(xù)動(dòng)態(tài)分析。崔偉玲等[26]將多體動(dòng)力學(xué)理論和有限元法相結(jié)合,通過(guò)構(gòu)建全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的個(gè)性化下肢模型,研究分析了內(nèi)推式和彈跳式兩種步態(tài)對(duì)術(shù)后患者恢復(fù)的影響。Calero等[27]將中耳有限元模型簡(jiǎn)化為不同多體模型,并分析了模型的簡(jiǎn)化效果,得出活塞式運(yùn)動(dòng)和鐙骨踏板繞另外兩個(gè)正交軸的兩次旋轉(zhuǎn),保留了模態(tài)陣型和階數(shù),能很好地反應(yīng)人體中耳動(dòng)力學(xué)。多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元方法結(jié)合可對(duì)人體節(jié)段內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等信息進(jìn)行較為精確的模擬,促進(jìn)人體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的研究[28]。

2 步態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

步態(tài)不穩(wěn)是跌倒的風(fēng)險(xiǎn)因素,其中髖部骨折是跌倒中常見(jiàn)的損傷,調(diào)查發(fā)現(xiàn)超過(guò)90%的髖部骨折由跌倒引起[7]。尤其隨著年齡增長(zhǎng),中老年人的神經(jīng)系統(tǒng)以及骨質(zhì)等各方面出現(xiàn)退化,對(duì)周?chē)h(huán)境的反應(yīng)及身體的調(diào)節(jié)能力下降,其步態(tài)不穩(wěn)時(shí),很容易發(fā)生跌倒傷害,嚴(yán)重時(shí)危及生命。

王新亭等[29]研究分析了老年人手提重物時(shí),在不同步態(tài)停止方式(急停和有計(jì)劃停止)下,下肢運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。結(jié)果表明,老年人為應(yīng)對(duì)負(fù)重和急停帶來(lái)的不穩(wěn)定性,下肢會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的平衡機(jī)制。Hossein等[30]研究分析了15名健康青年人受擾動(dòng)前后不同手臂條件和行走條件對(duì)步態(tài)參數(shù)的影響,研究中受試者在正常、束縛和釋放三種條件下,進(jìn)行對(duì)稱和不對(duì)稱行走,行走時(shí)進(jìn)行絆倒和滑倒干擾。研究發(fā)現(xiàn),意外擾動(dòng)對(duì)大多數(shù)步態(tài)變量有影響,手臂運(yùn)動(dòng)在中等程度的擾動(dòng)中貢獻(xiàn)不大。

圖3 站立受擾仿真

雙任務(wù)范式是日常生活中常見(jiàn)的生活場(chǎng)景,在行走或上下樓梯時(shí),進(jìn)行認(rèn)知或身體任務(wù)將分散運(yùn)動(dòng)時(shí)的注意力。有研究表明,上、下樓梯時(shí)執(zhí)行雙任務(wù)將會(huì)導(dǎo)致步速下降,且步速越大,人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越低[31]。楊鳳嬌等[32]對(duì)雙任務(wù)下老年人和年輕人的步態(tài)特征進(jìn)行了比較分析,研究結(jié)果為老年人增強(qiáng)步行能力,降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)提供了理論建議。Lin等[33]比較了有多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)和無(wú)多發(fā)性硬化者在水平行走時(shí)的動(dòng)態(tài)步態(tài)穩(wěn)定性,研究了MS對(duì)動(dòng)態(tài)步態(tài)穩(wěn)定性的影響。日常生活中,人們走在不同坡度的地面以及采取不同的擺臂方式,身體機(jī)能會(huì)產(chǎn)生不同的控制策略。楊子涵等[34]研究了男性青年在不同坡角上下坡行走時(shí)的步態(tài)控制策略。Punt等[35]探討了不同的擺臂方式對(duì)步態(tài)穩(wěn)定性的影響,利用Xsens運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕捉了10名健康男性志愿者在7種不同步態(tài)速度下,按照4種不同擺臂動(dòng)作指令行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),手臂過(guò)度擺動(dòng)會(huì)顯著增加人體步態(tài)的局部動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,但由于該研究的志愿者比較單一,手臂過(guò)度擺動(dòng)是否會(huì)影響老年人等易跌倒人群的步態(tài)穩(wěn)定性,需進(jìn)一步研究。

人類(lèi)在行走過(guò)程中發(fā)生頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于視野遠(yuǎn)離行進(jìn)方向以及前庭系統(tǒng)檢測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)增加,頭部轉(zhuǎn)向改變了視覺(jué)和前庭信息,可能引起步態(tài)或穩(wěn)定性的變化。行走過(guò)程中的穩(wěn)定性依靠多系統(tǒng)、多感覺(jué)的信息整合以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)反應(yīng)。相關(guān)的肌肉或神經(jīng)損傷會(huì)直接影響人體的平衡能力,從而影響人的步態(tài)穩(wěn)定性。在行走過(guò)程中,頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),步態(tài)穩(wěn)定性是否與年齡相關(guān),仍不清楚。Fitzgerald等[36]研究比較了年輕人和老年人在行走時(shí),轉(zhuǎn)頭期間和之后的步態(tài)穩(wěn)定性。與年輕人相比,年齡不會(huì)影響健康老年人在轉(zhuǎn)頭過(guò)程的步態(tài)穩(wěn)定性,而且老年人的骨盆旋轉(zhuǎn)速度越大,頭部相對(duì)軀干旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)越小。在臨床和實(shí)驗(yàn)室中用于評(píng)估平衡控制的方法很多,每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中,Tinetti性能導(dǎo)向移動(dòng)能力評(píng)估、動(dòng)態(tài)步態(tài)指數(shù)和伯格平衡量表是臨床中用于評(píng)估平衡機(jī)制的量表評(píng)估法。量表法簡(jiǎn)便易操作,但三種方法具有主觀性,并且在前庭功能障礙和卒中后偏癱患者中都顯示了高限效應(yīng),測(cè)評(píng)結(jié)果不夠精確。成霞等[37]采用串口通訊和QT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)人體重心位置并評(píng)估人體平衡能力的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與平均差和方位差結(jié)合,并利用平衡測(cè)試儀器評(píng)估測(cè)試者的平衡能力,能客觀、定量、精確地評(píng)估人體靜態(tài)條件下的平衡能力。實(shí)驗(yàn)室中評(píng)估平衡機(jī)制常用的方法有穩(wěn)定性裕度和全身角動(dòng)量?jī)煞N。全身角動(dòng)量是深入了解健康人和行動(dòng)不便者維持動(dòng)態(tài)平衡潛在機(jī)制的有力工具[38]。

圖4 站立受擾平衡恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

關(guān)于步態(tài)穩(wěn)定性的研究,研究者已經(jīng)從不同年齡、不同路況及不同步行姿態(tài)等方面探究其對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定性的影響。但由于人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)大多采用標(biāo)記點(diǎn)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉研究,無(wú)法對(duì)人體內(nèi)部關(guān)節(jié)力、力矩深層肌肉力進(jìn)行無(wú)創(chuàng)測(cè)量,因此,實(shí)驗(yàn)與建模仿真相結(jié)合可更深入地研究人體穩(wěn)定恢復(fù)過(guò)程中的內(nèi)在機(jī)制,輔助臨床治療。同時(shí),偏癱等運(yùn)動(dòng)功能障礙患者經(jīng)過(guò)康復(fù)訓(xùn)練后,一部分可以恢復(fù)行走能力,但其平衡控制能力及平衡恢復(fù)過(guò)程中,下肢內(nèi)在機(jī)理與正常人的差異性研究較少,需要進(jìn)一步探索。

3 總結(jié)與展望

本文重點(diǎn)介紹了人體步態(tài)穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀,以及多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和肌骨系統(tǒng)在步態(tài)分析方向的仿真模擬研究進(jìn)展,指出了未來(lái)下肢多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì):

(1)關(guān)節(jié)韌帶等人體柔性組織在運(yùn)動(dòng)中扮演著不可或缺的角色。在人體運(yùn)動(dòng)研究中,大多將人體簡(jiǎn)化成剛體,忽略人體柔性部位的影響。因此,在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程建模仿真中,將人體柔性結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)是目前以及未來(lái)的研究方向。

(2)由于人體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,隨著科技的進(jìn)步以及科研的需求,肌骨模型建模將向更精確的方向發(fā)展。

(3)目前研究人員進(jìn)行仿真的大多是通用模型。但由于個(gè)體差異,個(gè)體化建模將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),以解決個(gè)性化無(wú)創(chuàng)在體測(cè)試的困難。

(4)需要增加下肢步態(tài)運(yùn)動(dòng)異常研究的樣本量,完善不同異常類(lèi)型的下肢動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)庫(kù),為人類(lèi)健康提供數(shù)據(jù)支持。