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人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究

张琳琳  
【摘要】: 人体系统的复杂性、个体差异性、多样性以及活体实验的局限性,使得关于人体生物特性的研究工作开展十分困难。与此同时,随着医疗条件的改善,人们对生活质量的要求越来越高,如何预防运动损伤的发生,改善假体植入的效果,成为当前相关领域生物医学研究者的重要研究工作。 本文基于研究所承担的“中国力学虚拟人”国家自然科学基金重点项目和两个横向课题为支撑,在建立人体上肢部“骨骼-肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上,建立了上肢运动学和动力学仿真分析模型。通过输入人体骨性标记点的运动轨迹,可以驱动仿真模型完成相应的运动,并计算出关节力、关节转矩等动力学参数。利用EMG信号辅助方法,预测部分参与运动肌肉的肌肉力。将预测的肌肉力和动力学仿真分析结果作为有限元模型的边界条件,可以分析运动过程中骨组织的应力分布规律。以前臂屈曲运动为典型运动进行了模型的验证工作。同时设计了一个实验进行了前臂屈曲运动的尸体试验。具体的研究内容包括: (1)人体上肢“骨骼-肌肉”几何建模。采用图像分割和曲线最小二乘逼近的方法,精确获取骨骼轮廓信息,构建的上肢骨骼模型包括:肱骨、尺骨、桡骨、肩胛骨和锁骨等。连接骨骼上肌肉的起止点建立了上肢22根肌肉的直线模型,部分羽状肌用一束直线来模拟。模型可以用来做植入假体的几何仿真和有限元力学计算,为人体上肢部系统的分析提供了一个目前该研究领域中较为完整和解剖相似性较高的模型。 (2)建立了上肢的运动学和动力学仿真分析模型,运动学模型是由三根骨组成的具有5个自由度的模型,可以完成上臂和前臂的各种运动。采用NDI运动捕捉系统捕捉的运动作为模型的输入,可以驱动仿真模型产生复杂运动,并计算运动过程中各个肌肉的长度变化情况和各个骨骼的运动学参数,如位移、速度和加速度等。代入动力学模型中,结合EMG信号辅助算法计算运动过程中的肌肉力和相关动力学参数,如关节力和关节转矩。以典型的屈曲运动为例进行了运动学和动力学的分析。 (3)建立了上肢各骨的有限元模型,基于人体骨CT灰度值计算了不同骨组织的弹性模量,根据文献设定软骨的材料属性。分别对上臂外旋和前臂屈曲运动进行了关节接触问题的仿真,证明了模型的有效性。又将动力学仿真分析结果(关节力和肌肉力)作为静力学边界条件加载到有限元模型中,分析了肱骨在前臂屈曲运动过程中的应力-应变变化情况,并比较了肌力作用前后肱骨应力的改变。 (4)设计了一个尸体试验,对肱二头肌、肱三头肌、肱桡肌和肱肌分别按照肌肉力的原始发力方向加载,使前臂产生主动屈曲运动。并采用参考文献中的三种定比例加载方案和按预测肌肉力的变比值加载方案分别进行了前臂的屈曲运动实验。记录了前臂从30o~120o的屈曲过程中屈曲角度每增加15o时肌肉力的数值,比较肌肉力的预测值和测量值的变化规律;记录和分析了不同加载方案使前臂产生屈曲运动的运动轨迹情况。 (5)根据CT三维重建模型,测量了180个正常中国人肱骨的三维解剖学参数,主要包括肱骨全长、肱骨近端髓腔直径、肱骨头冠状面直径、矢状面直径、肱骨头的表面曲率半径、肱骨头的高度、颈干角、后倾角、内侧偏心距和后侧偏心距等十个参数。根据统计结果比较了统计的平均值与“中国力学虚拟人”所建立的标准人的区别;比较了中国人的解剖学参数与目前国内临床常用的四种解剖型假体参数(肱骨头的表面曲率半径、肱骨头的高度、颈干角和后倾角)的关系。 本文建立了人体上肢部的三维几何模型、运动学仿真模型、动力学仿真模型和有限元模型,建成一个上肢生物力学研究平台,可以广泛地应用于生物力学研究,如对肩关节假体置换的生物力学评价,从而指导假体的设计,提高使用寿命。


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