步态驱动的有限元框架用于大腿假肢接受腔材料依赖性与界面依赖性响应的对照评估

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：An evaluated gait-driven finite element framework for transfemoral limb–socket interface biomechanics and socket design evaluation

　　

摘要

背景

残肢-接受腔界面力学对于大腿假肢的舒适性和稳定性至关重要，但在生理步态载荷下，其与接受腔材料、区域压力载荷、界面滑移（δ_slip）和界面摩擦（μ）之间的依赖关系仍缺乏充分的量化研究。本研究旨在开发一种步态驱动的有限元框架，用于在支撑相载荷下对照比较材料依赖性和界面依赖性接受腔响应的预制前评估。

方法

基于Tang等人2015年报道的动态残肢-接受腔耦联实验数据，通过数字化提取各次试验特定的支撑相步态数据，建立了单侧大腿残肢-接受腔有限元模型。将垂直地面反作用力（vGRFs）和残肢股骨-接受腔旋转作为模型输入，并以轴向耦联长度作为模型评估指标。四个试验特定的模拟结果与实验测量值进行比较，使用Pearson相关系数（r_P）、均方根误差（RMSE）和归一化均方根误差（NRMSE）进行评估。随后，该模型被应用于在相同几何、载荷和接触条件下对十种候选接受腔材料的对照比较，量化结构安全系数（R）、接触压力、δ_slip和剪切应力（τ_max）。进一步改变μ值以量化其对残肢软组织应力和耦联接触行为的影响。

结果

该模型再现了分析的单受试者数据集中支撑相轴向耦联的主要时间模式，表现出非常强的时间关联性和可接受的逐点偏差（r_P = 0.906；95% CI 0.848–0.943；RMSE 3.32 mm；NRMSE 12.23%；p?<?0.001）。更高刚度和更高强度的接受腔提供了更大的结构安全裕度。接触压力表现出显著的时空非均匀性，后侧（P）及相邻区域承受的最大载荷最高。更高的接受腔刚度使高滑移起始推迟了步态周期的22.59%，并将滑移积累速率降低了约57.01%，而τ_max对刚度的依赖性可忽略不计（<?2%）。软组织最大von Mises应力（σ_{vM, max}）对μ表现出非单调依赖性，在μ?=?0.6–0.7范围内达到模型特有的近最小值。

结论

在该模型评估范围内，步态驱动的有限元框架为对照比较材料依赖性和界面依赖性接受腔响应提供了定量的预制前评估基础。更广泛的个体化解释需要利用更多受试者和直接界面测量进行进一步验证。