人體上肢生物力學建模和典型運動的生物力學研究.pdf

1、人體系統的復雜性、個體差異性、多樣性以及活體實驗的局限性,使得關于人體生物特性的研究工作開展十分困難。與此同時,隨著醫療條件的改善,人們對生活質量的要求越來越高,如何預防運動損傷的發生,改善假體植入的效果,成為當前相關領域生物醫學研究者的重要研究工作。
　　 本文基于研究所承擔的“中國力學虛擬人”國家自然科學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模型的基礎上,建立了上肢運動學和動力學仿

2、真分析模型。通過輸入人體骨性標記點的運動軌跡,可以驅動仿真模型完成相應的運動,并計算出關節力、關節轉矩等動力學參數。利用EMG信號輔助方法,預測部分參與運動肌肉的肌肉力。將預測的肌肉力和動力學仿真分析結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力分布規律。以前臂屈曲運動為典型運動進行了模型的驗證工作。同時設計了一個實驗進行了前臂屈曲運動的尸體試驗。具體的研究內容包括:
　　 (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計算,為人體上肢部系統的分析提供了一個目前該研究領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和動力學仿真分析模型,運動學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運動捕捉系統捕捉的運動作為模型的輸入,可以驅動仿真模型產生復雜運動,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參數,如位移、速度和加速度等。代入動力學模型中,結合EMG信號輔助算法計算運動過程中的肌肉力和相關動力學參數,如關節力和關節轉矩。以典型的屈曲運動為例進行了運動學和動力學的分析。
　　 (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、據文獻設定軟骨的材料屬性。分別對上臂外旋和前臂屈曲運動進行了關節接觸問題的仿真,證明了模型的有效性。又將動力學仿真分析結果(關節力和肌肉力)作為靜力學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力一應變變化情況,并比較了肌力作用前后肱骨應力的改變。
　　 (4)設計了一個尸體試驗,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力方向加載,使前臂產生主動屈曲運動。并采用參考文獻中的三種定比例加載方案和按

6、預測肌肉力的變比值加載方案分別進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°時肌肉力的數值,比較肌肉力的預測值和測量值的變化規律:記錄和分析了不同加載方案使前臂產生屈曲運動的運動軌跡情況。
　　 (5)根據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參數,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、內側

7、偏心距和后側偏心距等十個參數。根據統計結果比較了統計的平均值與“中國力學虛擬人”所建立的標準人的區別；比較了中國人的解剖學參數與目前國內臨床常用的四種解剖型假體參數(肱骨頭的表面曲率半徑、肱骨頭的高度、頸干角和后傾角)的關系。
　　 本文建立了人體上肢部的三維幾何模型、運動學仿真模型、動力學仿真模型和有限元模型,建成一個上肢生物力學研究平臺,可以廣泛地應用于生物力學研究,如對肩關節假體置換的生物力學評價,從而指導假體的設計,提高