脑卒中、脑瘫、小儿麻痹症等高发性疾病容易造成偏瘫,造成神经中枢受损从而引发对侧运动功能障碍,并最终可能导致偏瘫肢体完全不能活动的情况。从运动障碍学的角度来看,偏瘫步态始于肌肉的神经控制失常,而肌肉活动是步行运动的动力来源,偏瘫步态的异常与异常的肌肉活动有着密切的关联,如何对偏瘫步态患者进行准确的肌力诊断及患后的步态康复治疗是研究人员所关注的问题。目前,由于人体结构的复杂性及生物局限性,对关节、肌肉软组织等结构的力学性质的认识还不够充分,国内对步行运动的研究也多集中于步态运动参数的分析而缺乏肌肉活动与步态间关系的研究。因此,本文介于该背景对偏瘫步态进行动力学分析,首先从步行运动的动态捕捉出发,采用合理的力学模型表征关节、肌肉的作用,阐述适合于步态研究的动力学模型的建立过程并验证计算的有效性;其次,建立正常步态与偏瘫步态的步态模型,通过正常步态的特性分析建立偏瘫步态的对比参照标准,对偏瘫步态与正常步态进行差异分析,探讨偏瘫步态的异常与异常肌肉活动之间的关联,并通过肌力调整的方式分析肌力对步态表现的影响。具体而言,完成的主要工作和研究成果包括:首先,为了分析步态运动的运动学、动力学特性,以步态运动的动态捕捉数据为基础,建立有效的步态动力学模型。在建模过程中借助Vicon动态捕捉系统进行步态数据采集,利用刚体模型简化骨骼,弹簧阻尼模型定义关节,可训练肌肉模型记录肌群的收缩模式,使仿真结果准确反映人体的肌肉活动。建模后,通过关节角度、地面反作用力参数仿真与实测值对比验证模型的有效性,结果显示:下肢踝、膝、髋关节角度上实测与仿真间相关系数分别为0.958、0.979及0.987,最大角度差异约5°,两侧足地面反作用力上实测与仿真间相关系数分别为0.945和0.937,总体上实测与仿真曲线高度相关且特定时刻差异较小,证明所建模型可用于步态仿真模拟。在建立了适合步态运动模拟的动力学模型后,为了探讨偏瘫步态的异常特性,首先对正常步态模型进行分析,以正常步态的特性作对比参照样本。分析正常步态的步态特征、动力学表现及肌群活动的仿真结果,发现:步态运动上,正常步态的具体表现为步长、步速维持正常值,支撑相约占步态周期的60%,下肢两侧参数呈高度对称性;关节运动上,初始着地期及摆动前期关节角度及关节力矩的变化对于步态运动有较大影响;动力学表现上,正常步态地面反作用力及关节力的变化均呈双峰型,在足跟落地及足趾离地阶段出现最大值;肌力活动上,初始着地期胫前肌控制踝关节背屈运动,摆动前期足趾离地阶段腓肠肌、比目鱼肌控制踝关节跖屈运动,在摆动初期及摆动末期阶段髂腰肌和腘绳肌分别起摆动加速和摆动减速的作用。在了解正常步态特性的基础上,对偏瘫步态与正常步态各参数进行差异分析,通过分析该偏瘫步态受试者步行中非正常的步态运动及动力学表现,探究偏瘫患者步态的异常与异常肌肉活动之间的关联。研究发现:该偏瘫步态患者步态运动的异常主要体现于健患侧下肢间的不对称性较大,健患侧步长、步速较小,步态周期、健患侧支撑时间及步宽较大;关节运动的差异以矢状面的异常为主,踝关节初始着地期背屈不足、摆动前期阶段跖屈不足,膝、髋关节运动受限;结合关节运动与肌肉活动的异常表现,该偏瘫步态初始着地期胫前肌肌力缺失导致踝关节背屈不足从而影响落地阶段步态,摆动前期腓肠肌肌力较小导致足部离地期踝关节跖屈运动不足影响落足趾离地阶段步态,胫前肌、腓肠肌肌力异常是导致该患者产生偏瘫步态的原因。为了考察活动异常肌群的改善对步态表现的影响,通过偏瘫步态的胫前肌、腓肠肌肌力调整模拟肌力的训练,运用Lifemod的正向动力学分析模块,模拟分析肌力训练后的步态运动。研究发现:肌力训练后胫前肌、腓肠肌活动时期趋于正常且肌力有较大提升;关节运动的改善体现于初始着地期跖屈运动的产生及摆动前期跖屈运动的加快;动力学表现上,肌力训练后地面反作用力上健患侧曲线差异减小,初始着地期及摆动前期地面反作用力的异常表现改善。因而对于该偏瘫患者,胫前肌、腓肠肌的肌力训练将有助于步态的改善。