Analysis of Energy Storage and Return Foot Stiffness by Coupling Musculoskeletal and Finite Element Simulations

摘要

小腿截肢者目前在市场中有许多旨在改善控制性、装饰性和舒适性的假肢。三种类型的假肢分别为具有不同特点的常规、储能回收和仿生脚。目前的研究表明，与常规假肢相比，储能回收假肢具有更好的性能。本文突出研究了假体的进化和模拟人类脚踝生物力学的意义。
　　下肢截肢多由于外周血管疾病、糖尿病以及战争和事故等造成，其与死亡率、发病率和残疾密切相关。踝关节截肢者表现为由于足底屈肌肌肉缺损，导致在残余或完整腿部中更多的腿部站立次数和不对称步态并发症。膝盖截肢者失去了在行走期间至关重要的提供身体支撑前进的脚踝肌肉功能，脚踝肌肉可使腿部摆动起搏和内侧平衡。在早期和前期运动期间，截肢者在残肢上显示出增多的腿筋和股直肌活动。假脚在水平地形上甚至也不能有足够的背屈，并具有惯性不对称性。应进一步改进以调整背屈度，吸收冲击振动并改善惯性步态。单侧胫骨截肢者的临床疗效取决于适当的假肢足部硬度。适当选择具有合理设计特征的假体脚部对截肢者康复至关重要，在制造假体时使用具有高刚度和低密度特性的层压复合材料至关重要。
　　许多研究人员的报告说明，单侧膝盖截肢者（BKA）与身体健全的人不对称地走路不同。研究人员有各种不同的理由，通常认为套管适配、假体对准和假体部件（包括假肢部分的重量和设计）都可以影响截肢者的步态；另外一些人认为由于足底屈肌的丧失，残余和完整的腿部将会有较大的完整腿部姿势次数和不对称的步态并发症。此外，由于不对称的行走，腰椎和膝盖的退行性变化将发生，从而使肌肉骨骼系统超载。
　　本研究将提出以提高截肢步态为目的的能量储存和回收足耦合肌肉骨骼和有限元分析，使用 ISO-10328和 ISO-22675的边界条件进行足部分析，以使假脚用于替代由于截肢而导致的完整脚的肌腱和肌肉缺失。将来可用Altair Hyper14.0软件进行更多系列的 ESAR假足计算机模拟，以研究刚度对脚胫骨部分、肌肉活动、残余和完整的地面反作用力的影响并达到最佳设计。
　　本研究的结果将增加关于假脚特征及其对步态影响的核心知识，使其与假体设计和调试直接相关。

目录

DEDICATION

致谢

Notation

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 Motivation

1.3 Objectives

1.4Structure of the Dissertation

2.1Introduction to Literature review

2.2Causes of Amputation

2.3Anatomical Planes, Directions and Movement

2.4 Background

2.5Gait Cycle

2.6Components of Transtibial prosthesis

2.7Manufacture of prosthetic foot

2.8 Materials

2.9Dynamic Analysis of gait

CHAPTER 3:METHODOLOGY

3.1 Introduction

3.2OpenSim Software

3.3LS-DYNA Software

3.4Gait Simulation.

3.5Design Criterion

3.6Theoretical Modeling of extension of knee

3.7Foot design

3.8Gait Model selection

3.9Material selection

CHAPTER 4:DATA ANALYSIS,INTERPRETATION AND PRESENTATION

4.1 Introduction

4.2 Results

4.3 Analysis

4.4 Discussion

CHAPTER 5:CONCLUSION, RECOMMENDATION AND FUTURE WORK

5.1 Conclusion

5.2 Recommendation

5.3Future Work

参考文献