文摘
我们提出的过程的优化假脚的刚度。这个过程允许脚的元素的选择和使用的材料设计。程序是基于成本函数最小化的优化健康行走的膝关节力矩之间的区别和transfemural假肢行走。我们提出一个模拟环境,允许用户交互式地改变脚几何和跟踪膝力矩的变化来自于这些调整。最优的软件允许评估假脚弹性和几何。我们表明,改变模型属性,如弹性脚段的长度或其弹性导致显著的变化估计膝盖所需转矩给定轨迹。
1。介绍
人工脚(图1)目前常用在transfemural transtibial假肢组成元素跟影响吸收和能量积累在腿的加载。这些特性是工具性的舒适和节能的步态1]。C-foot的力学和各种版本的flexfoot-based脚遵循几个专利描述的原则(2- - - - - -6]。
(一)
(b)
(c)
脚(图的示意图2)表明,按摩脚底弹性在后方和前端,而踝关节下的面积是刚性的。
在本文中,我们使用一个生物力学模型,该模型考虑了弹性的鞋底。我们采用的模型考虑了纵向弯曲的脚和携带其他关节的运动学和动力学的变化已经在先前的研究7]。我们在座的过程,使腿的设计基于病人的个人特征和感兴趣的步态模式。
草图显示了几何差异在膝关节的位置在步态(图3)当模型使用灵活的脚。改变几何结果与不同的膝关节和点之间的距离(COP)的地面反作用力的行为。这种变化结果与膝关节力矩所需的变更(8,9)的跟踪期望轨迹。我们建议脚的灵活的弯曲模型收益率减少膝关节力矩,最终减少压力的肌肉活动膝盖在立场阶段两种步态。简而言之,这项研究的目的是协助个人假脚的设计过程为给定的用户和步态选择活动。
人脚运动期间的立场之间可以被描述为一个平稳发展四个阶段:脚跟罢工,平足,治愈升力,脚趾推出。提出优化模型和方法是集中在前脚的特点自推出阶段,脚跟抬起需要在步态周期中大部分能量。
为了证明本研究的原因,不久我们回顾最近主导文学艺术的状态。新的设计和材料假肢脚踝组件提供了较低的个体截肢的广泛选择的假体,而类似的特点,这使假肢诊所的任务团队为每个病人制定最合适的处方。最重要的临床区别与内部设计特点,这使组件能够模拟人类的一些行为脚(10]。在过去的20年里,许多研究集中在比较这些程序集的各种属性11- - - - - -14),来到结论最优设计的选择取决于个人的行走方式。然而,今天最受欢迎的假肢设备(抄送二世,奥托博克腰带,Greissinger脚,安全的脚,西雅图自然,Flex-Foot)都包括弹性龙骨提供的能量转移脚跟罢工到脚趾,自然步行和所需的背屈相当僵硬的鞋跟,它提供了吸收脚跟罢工和动能的影响所需的脚跟罢工和脚趾之间的平稳过渡(1]。我们的模型包含了这两个元素,并允许我们数学优化基于给定的行走模式对于任何几何刚度的假脚。
本课程集中在优化过程。因此,几何的问题,这是特别重要的上界弹性上面下面的脚变得僵化,下界的弹性脚会导致膝盖扭矩的变化。换句话说,我们估计一英尺的限制弹性匹配的模式健康的脚。模拟使用从健康个体步态和人体测量数据。我们提出一个软件工具,可以减少膝关节力矩基于生物特征数据。
本文的结果相关的设计最佳几何形状和刚度识别假脚。这项研究没有考虑到供电的踝关节最近介绍了(例如,动力脚一号我走,剑桥,马或Proprio脚奥索,雷克雅未克,冰岛(15])。
2。方法
人类步态的逆动力学分析的数学模型是一组方程基于动量和动能动量定律。给出的模型是平面只有一个活跃的自由度(自由度)膝关节和弯脚,改变其几何根据负载沿着它的长度(图经验4)。介绍了踝关节运动以来获得的数据的走健康的个体;然而,我们不考虑这个联合的力量。这种简化是建议,以形成一个模型,该模型可以产生健康的人体步态模式。符号列表的形式给出了表(表1)。
(一)
(b)
如果我们假设下面的腿膝关节作为一个段(没有主动关节),被定义为三个二阶动力学方程,然而,灵活的几何结构,介绍了脚踝旋转: 从(1)和(2),我们可以消除膝盖驱动力(3)和表达膝盖扭矩的函数和外部的运动学数据,地面反作用力: 段运动学需要估计。在我们的例子中,这是由一个实体系统的相机。地面反作用力估计使用平台的力量。所需的参数的优化也有水平和垂直距离重心(CM)和地面反作用力的位置(COP)和。
脚模型设计包括一弹性梁组件替换跖骨的弯曲关节和两个刚性组件,模仿人类脚的不屈的中央部分和外部控制垂直脚的一部分。这个模型允许这三个部分的优化使用参数(几何和弹性)。这允许我们研究这个词的影响描述了目前代理的质心。
力臂可以确定基于三角公式如果脚趾弯曲参数表示的数量和角梁的挠度: 这些公式的腿和脚模型如图4。
根据Euler-Bernoulli梁理论,梁的挠度和偏转角度的一个简单的悬臂梁可以描述使用两个以下方程: 在哪里垂直于梁施加的力是在距离沿着梁的长度。这相当于一个平被施加在脚上一段距离在弹性段的长度。因此,这个力可以很容易地估计: 因为脚是分解成简单的梁结构,这些方程适合于几何变化的表示要求计算和在脚弯曲。
在提出脚模型中,有三个几何参数,可以改变优化一个假肢:弯曲段的长度和刚性结构的长度。如果这些参数的定义,根据(6)和(7),只剩下参数改变代表梁的刚度。横截面积的时刻可以估计基于假脚的形状和几何的兴趣。一般来说,这一刻的变化在整个脚,因为它的几何不统一。因此,这个值应该为length-dependent变量计算。在这个演示中,我们选择了横截面惯性矩米4。这个值被选为典型值的一些商用设备。
在这里,我们专注于估计的弹性为选定的横截面惯性矩。然而,这可以很容易地改变了对产品的分析;因此,修改本文提供的一个横截面惯性矩形式。
提供的软件已经测试了各种步态模式。在本文中,我们目前只有一个数据集。这些数据来自女性的步态分析主题走在一个步态实验室(运动分析实验室,一副骨科研究所,博洛尼亚,意大利),包括测量基于演员的身体部分运动学协议(16]。录音包括地面反作用力力估计用基斯特勒公司平台。
2.1。优化软件
假脚分析软件工具是使用交互式基于matlab应用程序开发的图形用户界面。这个项目最初显示主题的人体测量参数,稍后将定义的节段惯性特性(即玩。,段质量、重心和转动惯量)。对于这些计算,我们使用简单的几何建模结合实测数据相同的方式介绍了(19),记住身体残疾,这一过程将略有不同(20.]。
人体测量参数如图5是真正的主体的实际值用于仿真。需要设置的参数在仿真对应主题的步态分析。按钮在屏幕的中心将直接用户第二个屏幕,在那里他可以确定假脚的几何特征模型和仿真的一些性质。用户可以在任何时候离开程序和仿真只需点击按钮在屏幕的最右边。
(一)
(b)
第二个屏幕类似于第一个,和一个按钮的中心开始仿真。此屏幕还包括字段用于输入参数定义脚模型和领域确定仿真过程。脚模型参数需要进入是一个弯曲组件的尺寸和两个刚性段和,如前所述。长度可以设置,但是总脚长度(总长度)必须保持不变。仿真参数包括最初的假脚弹性和优化参数。这些参数包括弹性的上下边界和步长迭代寻找最优弹性模量。初始弹性仅用于比较的最终结果将在对脚刚性模型和模型最优弹性,而其他参数会影响仿真以及最后的结果。此屏幕上最后一个字段包含文件的名称运动学和动态数据存储的地方。这些数据需要包括臀部、膝盖和脚踝加入中心在矢状面运动学,地面反应部队,这些部队的位置(即。,警察)。
仿真界面包含两个图形和四个文本字段,跟踪感兴趣的参数的变化在每个样本的时间(见图6)。此外,每一段的质心表示一个圈。图的上半部分窗口显示模型在矢状平面中的位置。屏幕的右下部分显示了一个图,表示膝盖扭矩的实例。文本框左边捕获的垂直和水平分量地面反作用力,膝盖扭矩在呈现时间样本,当前迭代的弹性模量。正如前面提到的,该仿真程序将每一步的弹性模块中定义的弹性边界范围内的模拟性能。本仿真协议旨在给用户监控模型的影响变化的能力在时域和确定可能的片段步态周期的不稳定或膝盖峰值扭矩创建。这种洞察步态阶段和模式特性的依赖从而有助于生成更好的模型参数配置和更好的模型的形成。
最后,为了便于理解,提出了输入变量和优化的膝关节力矩作为时间的函数。输入变量包括联合中心运动学在垂直和水平方向和垂直和水平地面反作用力的组件。他们提出了与仿真结果为更好的预期的相关性。计算模拟的输出包括三个不同的膝盖扭矩信号。其中两个不同弹性水平弯曲脚模型中,最优弹性和用户定义的弹性。预期的弹性模型是包含在这个软件有三个原因:提醒人们,并不总是最优的膝盖时刻代表大多数人脚假体;优化范围应设置基于(6)和(7),提供明确的预测对不同级别的模型弹性与膝盖的时刻。僵硬的脚的膝盖扭矩的上边界提出了膝盖扭矩在弹性模型。如果模型膝关节力矩超过这个绑定,那么弹性段的长度必须改变。
3所示。结果
所需的输入数据模拟呈现在图7。水平和垂直位置被用来估计所需的关节角模拟。压力中心的估计从记录的数据平台。
(一)
(b)
(c)
我们假定最大角和脚之间的表面行走大约是30度。使用信息的最大地面反作用力,我们计算(6),一个健康的脚的弹性约为6.16 MPa。根据这个值,我们选择了一个弹性介于4.16和8.16 MPa。我们还设置的上限和下限最大的脚弯曲。
该软件可以选择任何比率的弯曲和硬段的长度。软件估计基于最小的最优刚度膝关节力矩。从图中所示的结果8,很容易得出结论,弹性足模型产生膝关节力矩低于硬脚模型(≈50%)和弯曲之间的比例的增加和僵硬的假肢领域提高这个数字甚至更多(≈10 Nm)。在第一种情况下最优弹性MPa(弯曲/硬= 1:4);在第二种情况下,它是4.76 MPa(弯曲/硬= 9:16)。
(一)
(b)
4所示。讨论
介绍了软件开发的用于假肢应用程序设计最优的脚。软件还允许选择适当的运动单位如果义肢外部驱动的。这是有可能的,因为所需的软件决定了关节力矩范围的动态跟踪期望轨迹和它需要担保。
软件可以测试各种步态模式的性能,并将参数设置为适当的值被截肢者的最终使用施行假肢。
我们表明,重要的是要选择适当的刚度和几何的假脚减少膝关节的电力需求。膝关节力矩的形状像正常行走的模式;因此,髋关节的关节转矩(截肢)意志控制的可能几乎是正常的。
软件还模拟走在各种地形(倾斜的地面上,楼梯,等等),这是极大的兴趣多通道控制(21- - - - - -23]。
这个模型没有考虑弹性变形的鞋跟在初始地面接触或对脚跟的影响在鞋跟接触。这些因素可以通过包括注册另一个弯曲梁的刚性段。这个梁的弹性和几何可以使用本文提供的方法进行分析。
确认
工作在这个项目中部分是由教育部和科学支持,塞尔维亚共和国政府(项目号175016)。作者承认优秀的技术支持和援助在步态测量Milica Djurić-Jovičić,贝尔格莱德大学的博士生。