本文以国家自然科学基金“高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制研究”为来源,对自然人和TKA(Total Knee Arthroplasty)术后患者在下蹲、走路和上楼梯运动过程中人体膝关节股胫关节的运动特性进行了对比研究。本研究采用运动捕捉测量设备,对自然人和TKA术后患者的下蹲、走路和上楼梯三个动作过程进行运动测量,得到受试者体表标记点的坐标数据。另外本文通过参考其他学者的研究,定义了人体下肢解剖学特征点及人体全局和局部坐标系,建立了人体膝关节股骨和胫骨局部坐标系。本文采用MATLAB软件编写程序,提出了一种处理人体膝关节运动数据的方法,对实验获得的标记点坐标数据进行处理,得到人体股骨和胫骨局部坐标系,利用坐标变换,获得人体股骨和胫骨的相对旋转和相对平移变化数据,即屈曲伸展、内收外展和内外旋以及内外移、前后移和近远端移动。本文先将自然人在下蹲运动中股骨相对胫骨的运动特性与相关文献的研究结果进行对比分析,证明本文研究结果的可靠性和有效性。然后本文对自然人和TKA术后患者分别在下蹲、走路和上楼梯运动中的股胫关节的运动特性进行对比分析。结果表明,与自然人的膝关节运动相比,TKA术后患者在下蹲中股骨相对胫骨的最大外旋值增加4.6度;TKA术后患者在走路时股骨相对胫骨的外旋程度最大增加9.7度;患者在上楼梯中股骨相对胫骨的最大外旋值增加14度,后移增加1.2mm。综上分析,TKA后膝关节和自然膝关节股骨相对胫骨的内外旋和前后移有着相似的变化趋势。TKA术后患者在运动中股骨相对胫骨的屈曲角度较小,其中下蹲时最大屈曲角度不超过80度,这说明患者的膝关节屈曲受限。本文的研究结果丰富了膝关节运动数据库,可以对膝关节损伤的预防、TKA患者术后的康复以及人工假体的设计和优化提供参考。