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人体骨肌系统的整体生物力学建模与仿真分析研究

魏高峰  
【摘要】: 人体骨肌系统是实现人体各种运动的生理物质基础,是人体同外界进行动力学交互作用的根本,同时也是人体其它器官和系统的基本生存条件,其宏观上的主要特性表现为与运动和力相关的动力学问题。因此对人体骨肌系统进行力学方面的研究具有非常重要的意义。 本文基于研究所承担的国家自然科学基金重点项目“中国力学虚拟人”,在中国可视人项目冷冻切片数据集的基础上,通过计算机虚拟技术、力学建模及分析技术、以及有限元建模及分析技术建立了一个人体骨肌系统生物力学计算平台。该平台主要包括人体骨肌系统的三维建模与系统集成模块、人体骨肌系统的运动学与动力学建模及系统集成模块、以及人体骨肌系统的有限元建模与系统集成模块等三大部分。重点针对中国力学虚拟人系统集成中的一些关键技术进行了研究,完成了力学虚拟人以上三大模块的系统集成开发,实现了力学虚拟人计算平台的功能。本文的主要工作可以归纳为以下几点: 1.基于人体解剖学特征结构,完成了中国力学虚拟人三维模型的系统集成和软件开发。一个完整的人体骨骼-肌肉模型是中国力学虚拟人课题的研究基础。为此,本文对由中国数字人冷冻切片数据库所建立起来的人体各部分模型进行了系统集成与软件开发。根据解剖学的要求,建立了虚拟人体整体坐标系统,对虚拟人各部分模型进行了坐标转换,对关节接触部分进行了解剖学运动关系的定义。根据肌肉力学虚拟线在骨骼上的附着位置,将肌肉力虚拟线模型装配在了虚拟人骨骼模型上,建立了能够反映真实人体骨肌系统解剖特性的三维模型。在Microsoft VisualStudio 2005环境下,开发了力学虚拟人三维模型仿真软件,实现了力学虚拟人三维几何模型的系统集成与仿真。 2.完成了中国力学虚拟人运动学与动力学模块的系统集成与开发。结合NDI运动捕捉系统,以基于人体测量学数据和特殊标记点(Marker)分布的算法,开发了力学虚拟人运动捕捉与分析模块,解决了该模块同运动捕捉硬件系统、动力学分析模块之间的数据接口问题。 3.对小波分析方法在人体骨肌系统EMG信号处理及肌肉力预测中的应用问题进行了探索性的研究。提出了一种基于小波理论的动态EMG信号预测肌肉力的方法。通过对举重运动员的举重动作进行运动捕捉实验、反向动力学建模以及分析,对肱二头肌、肱三头肌以及三角肌进行EMG信号测量,利用所提出的方法进行了肌肉力预测。经过对比,预测结果同反向动力学的预测结果相一致,验证了该方法的可用性。同时探索研究了利用模态综合方法来分析人体骨骼的振动特性和应变等问题,对人体步态进行了实验测量与分析,获得了较好的结果。 4.基于并行计算技术,建立了中国力学虚拟人系统集成有限元模型。根据人体关节联结的生理学和解剖学特性,对人体各部分的有限元模型进行系统集成建模。建立了踝关节、膝关节、髋关节、骶髂关节、肩关节、肘关节等部分的有限元连接模型,利用弹簧单元和连接单元对关节连接处的韧带和软骨进行了有限元建模。根据中国力学虚拟人骨肌系统三维整体模型,建立了有限元模型中的肌肉力载荷集,在下肢、上肢以及胸腰部分定义了肌肉力载荷集,用来模拟人体运动过程中,作用在骨骼上的肌肉力对骨骼系统应力分布的影响。 5.对人体的弯腰搬物动作进行了运动捕捉实验,将整个运动过程分为4个运动相位,建立了每个相位的有限元整体模型。基于运动学与动力学模块的分析计算结果,在上海超级计算中心的曙光4000A超级并行计算平台上,对人体弯腰搬物动作进行了整体有限元模型的仿真计算。针对本文所建立的人体骨肌系统总体有限元模型,对不同的并行计算方案进行了测试,确定了并行效率最佳的并行算法和硬件配置。通过对计算结果的比较分析,论证了中国力学虚拟人集成计算平台的可靠性。


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