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界面压力可控式假肢接受腔设计

机械工程学报 2013年第11期49卷 106-113页

作者：甘云李祥桑元俊 DANIEL S U 罗云上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

功能性假肢接受腔需要同时具备穿戴舒适性与力及运动的传递功能,两者对人机界面提出刚柔特性相反的要求,对接受腔的设计形成了矛盾。针对这一矛盾,提出分时间歇和分区交替承载的界面压力可控式假肢接受腔设计概念,以最大化其功能传递性... 详细信息

功能性假肢接受腔需要同时具备穿戴舒适性与力及运动的传递功能,两者对人机界面提出刚柔特性相反的要求,对接受腔的设计形成了矛盾。针对这一矛盾,提出分时间歇和分区交替承载的界面压力可控式假肢接受腔设计概念,以最大化其功能传递性,并且避免残肢软组织长时间承受过高载荷。设计一种负刚度挤压腔体单元,通过抽真空方式驱动腔体单元收缩改变接受腔内壁形状,实现接受腔对残肢软组织适配界面的刚柔特性协调及快速转换。理论分析负刚度挤压腔体单元的力学特性,该特性使其对软组织松紧挤压转换所需的驱动力小,有利于小型化驱动单元,同时也使接受腔对软组织具有过载保护的功能。以该单元为基础构建假肢接受腔试验模型,并对其界面压力响应特性进行试验评价,初步实现了对接受腔界面压力的控制,并证明了该设计方案可以同时提高接受腔的功能传递性和舒适安全性。

关键词：接受腔生机界面压力可变负刚度

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小腿残肢与接受腔界面的摩擦行为分析及测试

摩擦学学报 2014年第6期34卷 650-657页

作者：孔亮贾振岗石磊李炜西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室摩擦学研究所成都610031

利用断层扫描数据,图像处理和反求技术建立了骨骼、软组织以及假肢接受腔的三维有限元模型,分别施加Heel Strike、Foot Flat、Mid-Stance、Heel Off和Toe Off五个典型步态时相的载荷,计算残肢皮肤在一个步态周期内的应力、滑移量变化,... 详细信息

利用断层扫描数据,图像处理和反求技术建立了骨骼、软组织以及假肢接受腔的三维有限元模型,分别施加Heel Strike、Foot Flat、Mid-Stance、Heel Off和Toe Off五个典型步态时相的载荷,计算残肢皮肤在一个步态周期内的应力、滑移量变化,确定最大临界参数;借助UMT-II多功能摩擦磨损试验机模拟残肢皮肤和接受腔摩擦界面,研究皮肤在步态周期临界参数下的摩擦行为变化.有限元结果表明:一个步态周期内五个典型时相,软组织表面最大正应力和剪切力均发生在髌韧带处,在Heel off步态时相,最大临界正应力为384.3 k Pa,剪应力为102.1 k Pa;随着正压力的减小,摩擦力减小,摩擦系数增大;当正应力下降到39.5 k Pa临界值时,接触面发生相对滑动,摩擦系数达到最大值.摩擦学试验结果表明:法向载荷分别为17 N和7 N时,残肢皮肤均处于黏着状态;皮肤弹性变形越大,黏着程度越大.

关键词：残肢接受腔摩擦行为有限元分析接触应力

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小腿假肢接受腔的三维有限元分析

生物医学工程学杂志 2000年第4期17卷 403-406页

作者：张明麦福达樊瑜波香港理工大学复康科技中心四川大学土木力学系生物力学研究所成都610065

通过建立三维非线性有限元模型来分析小腿假肢接受腔与残肢之间的载荷分布。此模型基于残肢 ,骨头 ,软套和接受腔的三维几何形状 ,考虑界面摩擦滑动条件和软组织的大变形等非线性因素。模型可以预测不同外载下残肢和接受腔之间的压力 ,... 详细信息

通过建立三维非线性有限元模型来分析小腿假肢接受腔与残肢之间的载荷分布。此模型基于残肢 ,骨头 ,软套和接受腔的三维几何形状 ,考虑界面摩擦滑动条件和软组织的大变形等非线性因素。模型可以预测不同外载下残肢和接受腔之间的压力 ,剪切力和相对滑动情况。并分析了不同的接受腔形状对载荷分布的影响。

关键词：有限元分析接受腔设计小腿假肢

下肢假肢接受腔对残肢肌肉萎缩影响的数值研究

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生物医学工程学杂志 2018年第6期35卷 887-891,899页

作者：王振泽徐智晏菲储照伟蒋文涛樊瑜波国家康复辅具研究中心北京100176 北京市老年功能障碍康复辅助技术重点实验室北京100176 民政部人体运动分析与康复技术重点实验室北京100176 四川大学生物力学工程实验室成都610065 香港理工大学生物医学工程系香港999077

下肢截肢后残肢的肌肉萎缩对患者康复十分不利。为探明残肢肌肉萎缩的生物力学机制,本研究利用大腿截肢患者残肢的磁共振断层影像(MRI),建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的残肢有限元模型,研究分析了下肢假肢接受腔对残肢软组织及血管... 详细信息

下肢截肢后残肢的肌肉萎缩对患者康复十分不利。为探明残肢肌肉萎缩的生物力学机制,本研究利用大腿截肢患者残肢的磁共振断层影像(MRI),建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的残肢有限元模型,研究分析了下肢假肢接受腔对残肢软组织及血管的生物力学影响。结果发现,旋股外侧动脉降支因挤压而发生的狭窄最为严重,股深动脉的狭窄则相对较小;旋股外侧静脉的降支、股静脉、股深静脉狭窄的程度依次降低,大隐静脉的狭窄程度较为严重。前侧肌群中应力应变最高;下侧肌群在股骨的末端处出现应力集中,并且其他生物力学指标在下侧区域中也相对较高。本研究在一定程度上揭示了接受腔对血管的挤压是导致肌肉萎缩的重要原因,这为进一步研究残肢肌肉的萎缩机制和采取有效的预防措施提供了理论参考。

关键词：接受腔残肢肌肉萎缩有限元模型血管

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假肢接受腔设计及界面应力的有限元分析

中国组织工程研究 2020年第6期24卷 862-868页

作者：王晓辉王坤胡志勇田红亮内蒙古工业大学机械工程学院内蒙古自治区呼和浩特市010000 内蒙古荣誉军人肢残康复中心内蒙古自治区呼和浩特市010000

背景:残肢-接受腔界面生物力学特性不仅对假肢的适配性有着直接影响,而且也是对接受腔结构进行优化设计的基础。将数字化设计技术与康复工程结合在一起,将有效地提髙假肢接受腔的制作效率和质量。目的:采用逆正向结合的建模方法,对小腿... 详细信息

背景:残肢-接受腔界面生物力学特性不仅对假肢的适配性有着直接影响,而且也是对接受腔结构进行优化设计的基础。将数字化设计技术与康复工程结合在一起,将有效地提髙假肢接受腔的制作效率和质量。目的:采用逆正向结合的建模方法,对小腿截肢患者进行定制式的接受腔模型设计,评估残肢与接受腔的界面应力,对接受腔进行迭代设计,优化后的模型采用3D打印制作,以改善传统手工制作接受腔方法。方法:选择2例内蒙古自治区荣誉军人肢残康复中心的小腿截肢志愿者,根据患者残肢的CT扫描图像,采用Mimics进行图像处理,然后经过Geomagic和UG逆向得到残肢的几何模型。通过使用计算机辅助设计软件Fusion360,根据残肢各个部位的组织结构不同的承受能力作为修型原理对接受腔进行正向建模设计。选用Mooney-Revlin超弹性模型定义软组织的材料特性,对残肢-接受腔界面应力进行有限元分析,并根据结果反馈指导对接受腔进行迭代设计,对再次修型后的接受腔模型进行评估。3D打印制作出接受腔,并进行实验测量。结果与结论:①对迭代设计后的接受腔与残肢界面的应力进行分析,得到残肢各区域的应力值均低于疼痛阈值,符合设计标准,能较好实现功能传递性和安全舒适性;②此2例患者穿戴3D打印制作的接受腔适配性、稳定性良好,步行对称性相比手工制作接受腔均有显著改善,满足残肢生物力学要求;③试验建立了完整的假肢接受腔的设计、评估及制造系统。

关键词：假肢接受腔计算机辅助设计迭代设计有限元分析 3D打印逆向工程超弹性界面应力生物力学

惯性载荷对截肢患者残肢/接受腔界面应力的影响研究

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生物医学工程学杂志 2005年第3期22卷 468-471页

作者：贾晓红张明王人成樊瑜波清华大学摩擦学国家重点实验室智能与生物机械分室北京100084 香港理工大学复康科技中心四川大学建筑与环境学院生物力学所成都610065

接受腔/残肢界面压力分布特征是假肢优化设计的基础,传统的有限元模型只限于静态分析,不符合实际情况。本文以小腿截肢患者为研究对象,建立了三维非线性有限元模型,给出了一个步态周期内残肢界面压力的变化规律,并对惯性载荷的影响进行... 详细信息

接受腔/残肢界面压力分布特征是假肢优化设计的基础,传统的有限元模型只限于静态分析,不符合实际情况。本文以小腿截肢患者为研究对象,建立了三维非线性有限元模型,给出了一个步态周期内残肢界面压力的变化规律,并对惯性载荷的影响进行了定量比较。结果表明:界面压力主要分布在髌韧带、胫骨内外侧和窝区,一个平地正常速度行走的步态周期内,站立相压力变化呈双峰蝶形,惯性载荷引起的平均压力幅值变化为8.4%;而在摆动相压力幅值变化高达20.1%,并且变化规律相反。行走过程中惯性载荷的影响不能忽略。

关键词：惯性载荷截肢残肢接受腔界面应力假肢

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假肢接受腔界面应力的有限元分析

中国组织工程研究与临床康复 2008年第35期12卷 6911-6914页

作者：曾育山海南省人民医院康复中心海南省海口市570311

假肢是用来代偿正常人体截肢部位机能和外表形状的装置,安装假肢是截肢患者恢复活动能力和外观的主要康复手段。假肢接受腔作为人与机械系统之间生物力学的界面,是截肢患者肢体残端和假肢之间载荷传递的惟一通道,必须根据患者的具体情... 详细信息

假肢是用来代偿正常人体截肢部位机能和外表形状的装置,安装假肢是截肢患者恢复活动能力和外观的主要康复手段。假肢接受腔作为人与机械系统之间生物力学的界面,是截肢患者肢体残端和假肢之间载荷传递的惟一通道,必须根据患者的具体情况因人而异,以满足功能性、舒适性的要求。一个完整的残肢接受腔有限元模型包括几何模型、材料特性、载荷状况和模型边界条件。下肢残肢-假肢接受腔界面应力的有限元理论仿真要求能够达到快速建立几何模型、准确模拟不同部位的材质特性、定义人机界面的接触特征、精确施加动态载荷。假肢接受腔以人工假肢个性化制造为研究对象,运用有限元法进行生物力学分析,并集成了生物医学、三维计算机辅助设计技术和快速成型技术。

关键词：假肢三维有限元接受腔

释放接受腔股三角区的挤压力对大腿截肢者残肢肌肉萎缩的影响

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中国康复医学杂志 2020年第6期35卷 710-712页

作者：林永辉武继祥刘宏亮陈东李磊陆军军医大学第一附属医院重庆西南医院康复医学科重庆400038

目的:通过对两组不同类型的接受腔使用试验,观察不同接受腔对残肢肌肉萎缩速度的影响.方法:选取30例大腿截肢后首次安装假肢的患者,随机分为试验组和对照组,观察截肢者使用两种接受腔后6个月、12个月后的残肢肌肉萎缩情况,分析引起肌肉... 详细信息

目的:通过对两组不同类型的接受腔使用试验,观察不同接受腔对残肢肌肉萎缩速度的影响.方法:选取30例大腿截肢后首次安装假肢的患者,随机分为试验组和对照组,观察截肢者使用两种接受腔后6个月、12个月后的残肢肌肉萎缩情况,分析引起肌肉萎缩的原因.结果:试验组15例使用坐骨包容接受腔,6个月后残肢萎缩约2.0%-3.0%,12个月后残肢围长变化为5.0%-7.0%;对照组13例使用坐骨承重接受腔,6个月后残肢萎缩约4.0%-6.0%,12个月后萎缩约8.0%-9.2%.结论:假肢的接受腔部件是连接假肢与残肢的主要载体,不同形式的接受腔设计可明显影响残肢肌肉萎缩的速度.坐骨包容接受腔是目前最为先进的设计,它能实现残肢与接受腔全接触,通过对股三角区的释放,残肢表面均匀的分布负荷等设计有效减缓残肢在使用假肢过程中的肌肉萎缩速度.

关键词：假肢接受腔坐骨包容坐骨承重肌肉萎缩

基于磁共振成像残肢三维重建模型设计的压紧/释放型大腿假肢接受腔

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中国康复理论与实践 2019年第10期25卷 1197-1201页

作者：孟昭建张明梁锦伦广东省工伤康复中心康复研究所广东广州市510400 香港理工大学生物医学工程系香港

目的探讨基于磁共振成像三维重建的残肢上设计和制作坐骨下缘压紧/释放型大腿假肢接受腔。方法采用1例大腿截肢患者的磁共振成像作为三维重建素材,接受腔的基础模板在SolidWorks软件中以零等距三维重建后的残肢外表面创建。利用软件的... 详细信息

目的探讨基于磁共振成像三维重建的残肢上设计和制作坐骨下缘压紧/释放型大腿假肢接受腔。方法采用1例大腿截肢患者的磁共振成像作为三维重建素材,接受腔的基础模板在SolidWorks软件中以零等距三维重建后的残肢外表面创建。利用软件的扫描曲面等功能对模板接受腔进行设计,此接受腔的穿戴结果应用有限元进行分析并用实验方法加以验证。结果压紧/释放型接受腔被成功创建,并利用有限元模拟得到残肢表面的压力分布。有限元分析得出残肢表面最大接触压力为218.5 kPa,F-scan压力传感器测得的最大压力为239 kPa。患者在穿戴接受腔后,残肢表面应力值在疼痛阈值和疼痛可耐受范围内,患者在问卷反馈中对此接受腔感到满意。结论基于重建的残肢三维影像资料构造压紧/释放型大腿假肢接受腔,为假肢接受腔的设计研究提供了一种更好的尝试。特别是当有限元分析和计算机辅助设计相结合时,计算机可以模拟接受腔的试样过程而对接受腔设计在初期进行优化,从而减少在患者身上的反复尝试。

关键词：大腿截肢假肢接受腔三维重建压力/释放有限元