4.1 人体腿部建模 21

4.2 壳类护具造型设计 24

4.3 支具运动功能仿真 26

4.4 支具的制作 27

结 论 28

致 谢 29

参 考 文 献 30

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

膝关节是人体中最大、亦可能是最复杂的关节，它是由胫股关节和髌股关节组成的双关节结构。膝关节的功能是传递负荷、参与运动、辅助动量守恒并为腿部活动提供力偶。

膝关节有可能承受很大的力和力矩，它位于人体两个最长的杠杆臂（股骨和胫骨）之间。就膝关节本身结构来看，它缺乏髋关节与踝关节所固有的内在稳定性，而需要肌肉、韧带等结构给予加固。另外，膝关节还是人体最表浅的关节之一，因此很容易受损伤。在体育比赛中，膝关节的受伤率以及康复所需的时间远高于其他关节[1-3]。

膝关节损伤多是由于局部负担过重或不平衡，而导致膝关节正常功能改变。运动实践表明：适度负荷可以增强膝关节解剖结构的应力及功能，但超负荷则使膝关节的承受能力下降。若不及时调整负荷或再牵强承受负荷，膝关节解剖结构会因负担过度引起整个关节能量代谢与物质代谢发生异常，维持膝关节运动的能量得不到及时补充，易产生膝关节相应功能变性，如关节腔内积液，韧带附着区钙化、增厚等，从而导致膝关节损伤[3]。论文网

膝关节运动损伤的类型包括内侧副韧带损伤、半月板损伤以及髌骨劳损等。其中，所有膝关节损伤的约40%都涉及内侧副韧带，内侧副韧带是膝关节最常受伤的结构之一[3]。

膝关节损伤的康复训练计划通常包括：抬臀练习、提踵练习、上下台阶练习以及神经肌肉训练等[3-4]。在康复过程中，膝关节支撑工具（简称膝关节支具）起着非常重要的作用。它代替了沉重而又不透气的石膏，能够很好地限制患者的活动。康复期的患者之所以需要支具固定，是因为：（1）韧带手术后需要时间恢复，术后的6至12周是韧带处于最虚弱的时期。（2）膝关节支具在身体和心理上告诉病人他们已经完成手术，但恢复到正常的状态需要过渡时间。而且佩戴支具还是一个对关节功能恢复极好的物理疗法。（3）护具还能从心理上进一步使他们确信在离开医院后他们仍旧会得到很好的保护。

研究表明，膝关节支具可以帮助ACL（Anterior Cruciate Ligament，前交叉韧带）（较容易损伤或断裂）损伤患者在康复过程中增大髋关节和踝关节的伸肌力矩，减小膝关节处的伸肌力矩，从而减小膝损伤[5]。而单中心支具的应用则可以在ACL断裂后显著降低韧带张力，缓解压力[6]。对于骨性关节炎患者，外翻诱导型膝关节支具可以产生外翻力矩，减少肌肉和韧带的工作压力，补偿外部内翻，减少关节力，进而减轻他们的疼痛[7]。

综上所述，膝关节支具可以缓和直立运动的能量需求，增强人的力量和提供期望的运动，相对于轮椅来说有较大优势。它可以帮助老年人或残疾人改善运动性，解决许多生活问题，如上下楼梯、跨越障碍等。随着世界人口老龄化，老年人身体每况愈下，肌肉退化失去稳定性，可能无法正常走路，甚至卧床不起。这在许多国家已经成为一个社会经济问题。能够帮助解决老龄人口行动不便的设备都非常需要。另外，通过使用辅助支具，膝关节损伤的患者也可以避免长期卧床，在膝关节得到保护的情况下能够保持自己的体力活动，享受一种更为积极的生活方式[8-9]。本课题正是基于这样一个背景来研究康复用膝关节支撑工具的设计与制造。