关键词：
脑瘫
肌肉缺陷
步态运动
最优控制
正向动力学
预测模拟
摘要：
脑性瘫痪是儿童运动障碍最常见的原因,是患儿自受孕开始至婴儿期非进行性脑损伤和发育缺陷所导致的综合征,并且会造成肌肉痉挛、肌肉无力以及无法选择性控制肌肉等症状,这些肌肉缺陷会损害行走能力,并随时间推移会导致继发性损伤如骨畸形和肌肉挛缩等。针对上述脑瘫患者导致的下肢肌肉无力与肌肉挛缩等肌肉缺陷,研究者通常采用骨肌多体动力学等方法来模拟步态运动的变化情况,骨肌多体动力学建模已经成为分析和理解特定个体缺陷的有力工具。但是,目前传统文献中对上述肌肉缺陷的研究大多数是基于逆向骨肌多体动力学进行建模,该方法依赖于现有的实验数据,无法预测新的步态运动。因此,本文通过将正向骨肌多体动力学模型与最优控制理论结合建立了人体步态预测模拟优化框架,并以正常青少年群体作为研究对象,以此模拟并研究痉挛型脑瘫肌肉缺陷对下肢步态运动学、动力学、肌肉能量消耗以及时空特征的变化情况。论文的研究旨在为痉挛型脑瘫患者临床治疗、步态改善以及辅助装置的设计提供理论指导。论文主要内容如下:
(1)基于最优控制理论建立了二维骨肌模型预测模拟优化框架。通过跟踪模拟与预测模拟对地面反作用力、下肢关节运动学和肌肉活性进行了验证,并为后文提供数据分析的基础。
(2)针对痉挛型脑瘫下肢跖屈肌肌肉无力,研究了在不同肌肉无力程度下、不同速度下对下肢生物力学的影响。研究发现:重度跖屈肌肌肉无力情况下,模型逐渐采用“脚跟行走”的异常步态模式,其中踝关节在运动学和动力学上变化最为明显,随跖屈肌肌肉无力程度增加,踝关节背屈角在站立相后期即达到最大值,并且在整个摆动相始终处于过度背屈的状态;最大踝关节跖屈力矩随肌肉无力程度增加而不断减少。此外,下肢跖屈肌肌肉无力会导致肌肉能量消耗增加,并且跖屈肌重度肌肉无力会随步速增加而导致相应的肌肉能量消耗也增加。
(3)针对痉挛型脑瘫下肢跖屈肌肌肉挛缩,研究了两种挛缩建模方法在不同肌肉挛缩程度下对下肢生物力学的影响。研究发现:两种跖屈肌肌肉挛缩建模方法均得到的相似的步态模式,即在重度跖屈肌肌肉挛缩情况下,模型逐渐采用脚尖着地的“马蹄步态”的异常步态模式,该步态在运动学和动力学上的特征主要表现在当足部刚开始接触地面时,踝关节跖屈角始终为正,此外,在整个摆动相期间踝关节始终处于过度跖屈的状态,且随挛缩程度增加,相应跖屈角也不断增大。而相应踝关节跖屈力矩在站立相早期增加,并且在站立相末期踝关节最大跖屈力矩随挛缩程度增加而不断增大。此外,跖屈肌肌肉挛缩程度越大,模型采取的适应步态速度也增加,而相应肌肉能量消耗减少。
(4)针对偏瘫型脑瘫下肢两侧不对称性,研究了不同步态速度下模型患侧与健侧之间的关节运动学、肌肉力以及时空特征不对称差异。研究发现:偏瘫模型患侧与健侧膝关节屈曲角与踝关节背屈角在站立相的不对称变化最为明显;患侧肌肉力随偏瘫程度增加而减少,而健侧肌肉力出现相应代偿增加;时空特征不对称的大小和方向取决于患侧肌肉无力的水平和步态速度的大小,随偏瘫程度增加,所有步态速度下的肌肉能量消耗随之减少,并且较慢的步态速度相比于较快的步态速度具有更大的肌肉能量消耗。最后通过实施对称目标发现模型虽然减少了步态不对称性,但是并未减少肌肉能量消耗。因此,通过该结果可以为偏瘫患者进行临床治疗、步态矫正等提供理论参考。
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