下肢骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)建模和典型運動中若干力學(xué)問題研究.pdf

1、人體是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，個體差異性、多樣性以及活體實驗的局限性，使得開展人體生物特性的研究工作十分困難。與此同時，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展、人民生活水平的不斷提高以及醫(yī)療條件的不斷改善，人們提高自身生命質(zhì)量的要求更加強烈。人體生物力學(xué)研究正是從力學(xué)的角度來研究人體的生物學(xué)相關(guān)理論和運動機理，從而為臨床醫(yī)學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供有力的理論指導(dǎo)和幫助。
　　 此論文基于本研究所承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點項目“中國力學(xué)虛擬人”以及兩個與上海市

2、第六人民醫(yī)院的醫(yī)工結(jié)合橫向合作項目，建立了人體下肢骨肌系統(tǒng)三維幾何模型和力學(xué)模型；對人體步態(tài)運動這一典型行為進行了運動學(xué)動力學(xué)分析，對參與運動的下肢相關(guān)肌肉的肌肉力進行了優(yōu)化計算，并以所求得的肌肉力和關(guān)節(jié)力為載荷條件，采用有限元方法分析了步態(tài)過程中下肢骨骼的應(yīng)力分布規(guī)律；此外，對除步態(tài)外的日常典型行為動作下肢運動學(xué)進行了測量分析與研究；同時結(jié)合建立的模型和運動分析結(jié)果針對人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中兩個重要臨床問題開展了深入研究：一是人工髖關(guān)節(jié)

3、脫位與理論活動度的分析研究、二為不同股骨柄的初期穩(wěn)定性比較研究。具體內(nèi)容包括：
　　 1)利用冷凍層切圖片數(shù)據(jù)通過醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)和逆向工程法建立了下肢骨骼的三維幾何模型，并在其基礎(chǔ)上確定了下肢肌肉的起止點并建立了肌肉作用力線的直線模型；同時基于幾何模型建立了下肢骨肌系統(tǒng)運動模型，通過對比模型仿真肌肉力臂值與實驗測量力臂值對該模型進行了驗證。
　　 2)利用三維運動捕捉系統(tǒng)和足底測力平臺對人體步態(tài)運動進行了三維運動測量分

4、析，并利用計算出的運動學(xué)動力學(xué)結(jié)果，結(jié)合建立的骨肌系統(tǒng)模型進行了肌肉力的預(yù)測，通過測量表面信號對肌肉力的預(yù)測結(jié)果進行了驗證；
　　 3)在下肢骨骼三維幾何模型的基礎(chǔ)上建立了下肢骨骼三維有限元網(wǎng)格模型，并將預(yù)測出的關(guān)節(jié)力和肌肉力結(jié)果作為有限元分析模型所施加的載荷條件，對步態(tài)時下肢骨骼的應(yīng)力分布進行分析。
　　 4)對人體除步態(tài)以外的一些典型日常行為動作(上樓梯、下樓梯、跑、蹲、跪)進行運動學(xué)捕捉和分析，得到了各種運動中下肢

5、髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的活動范圍，為了解的人體運動以及關(guān)節(jié)假體設(shè)計的不斷完善提供科學(xué)有效的依據(jù)。
　　 5)臨床研究問題之一：人工髖關(guān)節(jié)理論活動度分析研究。建立了一個模塊化的分析工具用以計算人工髖關(guān)節(jié)各設(shè)計參數(shù)和安裝參數(shù)下髖關(guān)節(jié)六個方向的活動度；結(jié)合人體日常行為動作運動測量結(jié)果進行不同參數(shù)下人工髖關(guān)節(jié)安全區(qū)域的分析。
　　 6)臨床研究問題之二：不同人工股骨柄的生物力學(xué)分析。利用建立的股骨模型通過有限元方法分析和比較了不同人工