上肢运动时腕部组织生物力学特征分析

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腕部由骨与软组织结构组成,连接前臂和手。腕关节不仅带动手部空间位置的变换,也实现了手和前臂之间载荷的传递。手腕和手指的高重复运动,腕部长期保持一个固定体位,及受压的作用等都有可能使正中神经受到压迫产生病变,可能会影响日常生活,甚至出现永久性手部残疾。因此为了探究腕关节长期固定体位、运动、压力等因素对腕管及正中神经的影响,本文从形态学观测,运动学、肌电数据的采集分析,压力实验三个方面开展研究,观测腕关节不同体位或手持重物时,腕部软组织的变形,分析上肢运动时腕关节的速度,采集腕管外部压力大小等并分析上述因素对腕管或正中神经的影响。1)形态学观测:使用磁共振成像和高频超声设备,进行健康志愿者腕关节中立位、最大屈曲位、最大背伸位、最大尺偏位的腕管以及正中神经的形态学观测。结果表明腕关节在最大屈曲位时,正中神经在豌豆骨层面受压最严重,横截面积、周长、圆度等形态学数据在此层面有最小值;腕关节在最大背伸位状态下,钩骨钩层面正中神经受压最严重,横截面积、周长、圆度等形态学数据在在此层面有最小值。结果表明:MRI扫查正中神经横截面积平均为10.188 mm~2、周长范围为14.121 mm、圆度范围为0.640、肿胀率范围为1.046;高频扫查正中神经横截面积平均为8.390 mm~2、周长范围为13.900mm、圆度范围为0.546,由于高频超声成像需探头施加外力,因此所采集数据整体均小于MRI成像所得形态学数据。2)运动学与肌电同步采集实验:志愿者进行手腕部日常运动时,使用三维运动采集系统获得腕关节的运动学数据,同步采集参与腕部运动主要肌肉的表面电信号;得到腕关节屈曲、背伸、尺偏、桡偏、内旋等运动时的角度、角速度、角加速度等运动学特征。结果表明:屈曲运动的运动幅度最大,为57.136°;屈曲运动速度与复位速度都为四种工况最快,分别为255.863±118.374 deg/s、196.078±96.290 deg/s;单向运动最大角速度和复位最大角速度也由屈曲运动取得,分别为1758.388±11077.868 deg/s~2、4492.322±2080.847 deg/s~2。运动特征与腕部形态存在一定相关性:屈曲运动时,腕关节最大屈曲角度与腕宽、腕围存在显著相关性;尺偏运动时,内翻最大角度、正向内翻角速度、内翻运动负方向最大角速度、正向最大角加速度、反方向上最大角加速度均与掌厚存在显著相关性;拧杯动作即腕关节内旋运动,内旋最大角度与腕围、腕宽、掌长均存在显著相关性;分析腕部各运动时主要参与肌肉的募集情况,激活程度等,发现腕关节各方向运动均伴随一定程度的手指屈伸运动。3)压力实验:志愿者进行腕关节屈曲、背伸、尺偏、拧水杯、颠勺、抬重物、使用鼠标等动作,,分别采集粘贴在腕管外部传感器的电压变化值。结果表明,屈曲运动时,的压力值最大,1.576 N,其次是尺偏压力,1.480 N,背伸与桡偏时,压力值较小,举起相同重量的物体时,改变方向、加速度的颠勺运动,压力值为1.279 N,是单一方向的抬起运动压力值(0.471 N)的3倍;使用鼠标时,鼠标的高度越高,对腕部产生的压力越小,使用人体工学设计的鼠标时压力值最小。本文进行了固定体位、运动过程时腕部组织的生物力学分析,探讨了各因素对腕管和正中神经的影响,可为腕部相关疾病的预防、临床治疗与康复提供生物力学依据。
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