健康人群上坡、下坡和平地步行膝关节六自由度运动学的比较分析

作     者：郑智 

作者单位：上海体育学院 

学位级别：硕士

导师姓名：王少白

授予年度：2019年

学科分类：0403[教育学-体育学] 040302[教育学-运动人体科学(可授教育学、理学、医学学位)] 04[教育学] 

主      题：步态分析 膝关节运动学 六自由度 上下坡 运动捕捉技术 

摘      要：研究背景:膝关节作为人体复杂的负重关节之一,在步行和运动时承受更多的负荷,发挥重要的减震作用,而与此同时膝关节损伤也十分常见。然而,由于目前临床上对膝关节损伤的诊断主要依赖主观问诊、手法检查和影像手段,使得对膝关节的部分损伤,如前、后交叉韧带损伤或断裂等的诊断仍存在漏诊或误诊的情况。随着生物力学技术的更新和进步,研究发现膝关节运动学的分析可为膝关节损伤在动态活动状态下的评估提供重要的理论依据,并可能成为膝关节损伤的重要诊断方法之一,为临床对膝关节损伤的有效诊断奠定重要的基础作用。而步行是我们日常生活的主要活动状态,对步行中膝关节运动学的分析也广受学者关注,许多学者为了探究膝关节的运动模式及损伤机制,对膝关节展开了不同的运动学研究。然而研究发现仅对平地步行进行膝关节运动学评估不足以反映膝关节的稳定功能以及潜在损伤情况,而复杂动作,如冲刺跑、落地冲击、跳转等动作易发现潜在损伤,但同时存在进一步损伤风险,单脚跳、上下楼梯等动作在临床使用也有诸多不便。而其他上下坡的研究并没有针对膝关节的前后相对位移做出相关的研究,上、下坡步行时可因重力将对膝关节分别产生后向和前向的剪切力,较单纯平地步行时膝关节运动学的分析可提供更多运动学信息,可能为临床膝关节损伤的评估提供重要的方法支持。研究目的:本论文从临床安全性和易实现性角度出发,采用红外数字导航的膝关节三维运动捕捉系统,对健康人群进行上坡、下坡和平地步行三种条件下进行膝关节运动学捕捉,并对上述三种条件获得的膝关节六自由度运动学特征进行比较分析。旨在探究健康人群在上坡、下坡和平地步行时六自由度的变化,可成为膝关节临床评估的方法之一,并为今后患者上坡和下坡步态提供重要的基础数据支持。研究方法:本论文采用使用了一种红外数字导航的膝关节三维运动捕捉系统(Opti Knee,Innomotion,Shanghai,China),对24位健康受试者分别在上坡、下坡和平地条件下进行步行采集,获得每位受试者双侧膝关节的六自由度运动学数据,并通过单因素方差分析的统计学方法比较上坡、下坡和平地步行三种条件下的膝关节六自由度运动范围和各时相的均值,显著性水准为0.05。研究结果:通过统计学分析,本实验得出以下结果:1)通过上坡、下坡和平地步行步态周期中不同时相的膝关节六自由度运动学比较发现屈伸和内外旋的差异发生在整个步态周期;内外翻的差异主要发生在支撑期和摆动中期;前后位移的差异主要发生在支撑前期和摆动期;上下位移和内外位移无明显差异。2)通过上坡、下坡和平地步行的六自由度运动学活动范围比较,发现屈伸活动范围上坡比平地减少了4.5°,下坡比平地增加4.2°,屈伸的活动度在平地、上坡和下坡之间的活动范围有显著差异(P0.05)。研究结论:本论文使用的是一种红外数字导航的膝关节三维运动捕捉系统,通过对健康人群进行膝关节六自由度运动学数据分析,我们得出健康人的上坡、下坡及平地步行的六自由度数据,上下坡对于位移数据的影响不明显,因为有膝关节前后交叉韧带等组织发挥限制胫骨过度前移或者后移的作用,使得在上坡或者下坡情况下对于健康人来说是有一定的稳定性的。关于上下坡的研究,并没有发现关于膝关节六自由度,尤其是胫骨与股骨直接相对位移的结果,本实验针对正常人群上坡、下坡和平地的六自由度运动学分析,可以为今后研究膝关节损伤患者的上坡、下坡的步态研究打下基础,为膝关节诊断和评估提供更多参考信息。