人體上肢生物力學(xué)建模和典型運動的生物力學(xué)研究.pdf

1、人體系統(tǒng)的復(fù)雜性、個體差異性、多樣性以及活體實驗的局限性,使得關(guān)于人體生物特性的研究工作開展十分困難。與此同時,隨著醫(yī)療條件的改善,人們對生活質(zhì)量的要求越來越高,如何預(yù)防運動損傷的發(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“中國力學(xué)虛擬人”國家自然科學(xué)基金重點項目和兩個橫向課題為支撐,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,建立了上肢運動學(xué)和動力學(xué)仿

2、真分析模型。通過輸入人體骨性標(biāo)記點的運動軌跡,可以驅(qū)動仿真模型完成相應(yīng)的運動,并計算出關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩等動力學(xué)參數(shù)。利用EMG信號輔助方法,預(yù)測部分參與運動肌肉的肌肉力。將預(yù)測的肌肉力和動力學(xué)仿真分析結(jié)果作為有限元模型的邊界條件,可以分析運動過程中骨組織的應(yīng)力分布規(guī)律。以前臂屈曲運動為典型運動進(jìn)行了模型的驗證工作。同時設(shè)計了一個實驗進(jìn)行了前臂屈曲運動的尸體試驗。具體的研究內(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模擬。模型可以用來做植入假體的幾何仿真和有限元力學(xué)計算,為人體上肢部系統(tǒng)的分析提供了一個目前該研究領(lǐng)域中較為完整和解剖相似性較高的模型。
　　 (2)建立了上肢的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析模型,運動學(xué)模型是由三根骨組成的具有5個自由度的模型,可

4、以完成上臂和前臂的各種運動。采用NDI運動捕捉系統(tǒng)捕捉的運動作為模型的輸入,可以驅(qū)動仿真模型產(chǎn)生復(fù)雜運動,并計算運動過程中各個肌肉的長度變化情況和各個骨骼的運動學(xué)參數(shù),如位移、速度和加速度等。代入動力學(xué)模型中,結(jié)合EMG信號輔助算法計算運動過程中的肌肉力和相關(guān)動力學(xué)參數(shù),如關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。以典型的屈曲運動為例進(jìn)行了運動學(xué)和動力學(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。分別對上臂外旋和前臂屈曲運動進(jìn)行了關(guān)節(jié)接觸問題的仿真,證明了模型的有效性。又將動力學(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動過程中的應(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)計了一個尸體試驗,對肱二頭肌、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)生主動屈曲運動。并采用參考文獻(xiàn)中的三種定比例加載方案和按

6、預(yù)測肌肉力的變比值加載方案分別進(jìn)行了前臂的屈曲運動實驗。記錄了前臂從30°～120°的屈曲過程中屈曲角度每增加15°時肌肉力的數(shù)值,比較肌肉力的預(yù)測值和測量值的變化規(guī)律:記錄和分析了不同加載方案使前臂產(chǎn)生屈曲運動的運動軌跡情況。
　　 (5)根據(jù)CT三維重建模型,測量了180個正常中國人肱骨的三維解剖學(xué)參數(shù),主要包括肱骨全長、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)偏心距等十個參數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果比較了統(tǒng)計的平均值與“中國力學(xué)虛擬人”所建立的標(biāo)準(zhǔn)人的區(qū)別；比較了中國人的解剖學(xué)參數(shù)與目前國內(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、運動學(xué)仿真模型、動力學(xué)仿真模型和有限元模型,建成一個上肢生物力學(xué)研究平臺,可以廣泛地應(yīng)用于生物力學(xué)研究,如對肩關(guān)節(jié)假體置換的生物力學(xué)評價,從而指導(dǎo)假體的設(shè)計,提高