人體上肢生物力學(xué)建模和典型運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)研究.pdf

1、人體系統(tǒng)的復(fù)雜性、個(gè)體差異性、多樣性以及活體實(shí)驗(yàn)的局限性,使得關(guān)于人體生物特性的研究工作開(kāi)展十分困難。與此同時(shí),隨著醫(yī)療條件的改善,人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高,如何預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生,改善假體植入的效果,成為當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)研究者的重要研究工作。
　　 本文基于研究所承擔(dān)的“中國(guó)力學(xué)虛擬人”國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和兩個(gè)橫向課題為支撐,在建立人體上肢部“骨骼-肌肉”三維幾何模型和力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿

2、真分析模型。通過(guò)輸入人體骨性標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以驅(qū)動(dòng)仿真模型完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),并計(jì)算出關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用EMG信號(hào)輔助方法,預(yù)測(cè)部分參與運(yùn)動(dòng)肌肉的肌肉力。將預(yù)測(cè)的肌肉力和動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果作為有限元模型的邊界條件,可以分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中骨組織的應(yīng)力分布規(guī)律。以前臂屈曲運(yùn)動(dòng)為典型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模型的驗(yàn)證工作。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了前臂屈曲運(yùn)動(dòng)的尸體試驗(yàn)。具體的研究?jī)?nèi)容包括:
　　 (1)人體上肢“骨骼-肌肉”幾何建模。采

3、用圖像分割和曲線最小二乘逼近的方法,精確獲取骨骼輪廓信息,構(gòu)建的上肢骨骼模型包括:肱骨、尺骨、橈骨、肩胛骨和鎖骨等。連接骨骼上肌肉的起止點(diǎn)建立了上肢22根肌肉的直線模型,部分羽狀肌用一束直線來(lái)模擬。模型可以用來(lái)做植入假體的幾何仿真和有限元力學(xué)計(jì)算,為人體上肢部系統(tǒng)的分析提供了一個(gè)目前該研究領(lǐng)域中較為完整和解剖相似性較高的模型。
　　 (2)建立了上肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析模型,運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是由三根骨組成的具有5個(gè)自由度的模型,可

4、以完成上臂和前臂的各種運(yùn)動(dòng)。采用NDI運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕捉的運(yùn)動(dòng)作為模型的輸入,可以驅(qū)動(dòng)仿真模型產(chǎn)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng),并計(jì)算運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)肌肉的長(zhǎng)度變化情況和各個(gè)骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),如位移、速度和加速度等。代入動(dòng)力學(xué)模型中,結(jié)合EMG信號(hào)輔助算法計(jì)算運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肌肉力和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù),如關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。以典型的屈曲運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析。
　　 (3)建立了上肢各骨的有限元模型,基于人體骨CT灰度值計(jì)算了不同骨組織的彈性模量,根

5、據(jù)文獻(xiàn)設(shè)定軟骨的材料屬性。分別對(duì)上臂外旋和前臂屈曲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了關(guān)節(jié)接觸問(wèn)題的仿真,證明了模型的有效性。又將動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果(關(guān)節(jié)力和肌肉力)作為靜力學(xué)邊界條件加載到有限元模型中,分析了肱骨在前臂屈曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變變化情況,并比較了肌力作用前后肱骨應(yīng)力的改變。
　　 (4)設(shè)計(jì)了一個(gè)尸體試驗(yàn),對(duì)肱二頭肌、肱三頭肌、肱橈肌和肱肌分別按照肌肉力的原始發(fā)力方向加載,使前臂產(chǎn)生主動(dòng)屈曲運(yùn)動(dòng)。并采用參考文獻(xiàn)中的三種定比例加載方案和按

6、預(yù)測(cè)肌肉力的變比值加載方案分別進(jìn)行了前臂的屈曲運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。記錄了前臂從30°～120°的屈曲過(guò)程中屈曲角度每增加15°時(shí)肌肉力的數(shù)值,比較肌肉力的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值的變化規(guī)律:記錄和分析了不同加載方案使前臂產(chǎn)生屈曲運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡情況。
　　 (5)根據(jù)CT三維重建模型,測(cè)量了180個(gè)正常中國(guó)人肱骨的三維解剖學(xué)參數(shù),主要包括肱骨全長(zhǎng)、肱骨近端髓腔直徑、肱骨頭冠狀面直徑、矢狀面直徑、肱骨頭的表面曲率半徑、肱骨頭的高度、頸干角、后傾角、內(nèi)側(cè)

7、偏心距和后側(cè)偏心距等十個(gè)參數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較了統(tǒng)計(jì)的平均值與“中國(guó)力學(xué)虛擬人”所建立的標(biāo)準(zhǔn)人的區(qū)別；比較了中國(guó)人的解剖學(xué)參數(shù)與目前國(guó)內(nèi)臨床常用的四種解剖型假體參數(shù)(肱骨頭的表面曲率半徑、肱骨頭的高度、頸干角和后傾角)的關(guān)系。
　　 本文建立了人體上肢部的三維幾何模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型、動(dòng)力學(xué)仿真模型和有限元模型,建成一個(gè)上肢生物力學(xué)研究平臺(tái),可以廣泛地應(yīng)用于生物力學(xué)研究,如對(duì)肩關(guān)節(jié)假體置換的生物力學(xué)評(píng)價(jià),從而指導(dǎo)假體的設(shè)計(jì),提高