基于AnyBody~(TM)技术的人体运动建模方法

人体运动的建模与仿真是当今运动生物力学研究的一个热点。利用数值模型研究人体的运动规律,是人体运动研究的一个重要手段和有效工具。其关键技术在于应用逆向运动学方法求解人体运动,并获取人体运动中各个肌肉力学上技术参数。文中主要探讨基于AnyBody~(TM) System软件人体运动仿真的建模方法来研究人体运动力学规律,结合The Any-Body~(TM)system对人体运动具体应用,说明The AnyBody~(TM) system技术在人体运动仿真领域的优势。     

人体运动的生物力学建模与计算机仿真进展

人体运动的生物力学建模与仿真,广泛应用于阐明不同运动的生理机理、探讨运动损伤机制、提高运动员运动成绩和降低损伤等诸多研究领域。他涉及人体骨骼、关节、肌肉和神经等组织的生理、解剖和力学特征的数学建模。利用数学模型,可以采用相关算法求解运动过程中不同肌肉的收缩力,同时还可通过计算机软件进行仿真实验并将仿真结果可视化。本文对人体运动的生物力学建模与仿真及其应用进行了综述。     

竞技体育运动生物力学研究现状与趋势

运动生物力学是研究人体运动中力学规律的交叉应用学科,主要研究目的是提高竞技体育运动成绩和预防运动损伤。本文从改进动作技术、改善训练方法和运动装备研究3个方面介绍国内外运动生物力学研究在提高竞技体育运动成绩方面的方法和成果,为提高我国运动生物力学和竞技体育科研水平提供参考。希望今后有更多的运动生物力学研究以提高成绩和预防损伤为目的,借助严谨的研究设计,使用新技术获取更多更准确的人体运动力学数据,促进运动生物力学研究的广度和深度。     

基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真

背景：目前有限元模型的建立大多通过CT 成像技术建立三维三角面片模型,然后通过商业软件转换成四面体有限元网格,但建立的有限元模型无实体模型,不能进行切割或植入假体。 目的：建立人体骨骼肌系统整体有限元模型,并对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动进行基于超级并行计算的整体有限元仿真分析。 方法：针对中国数字人工程所获得的冷冻切片数据进行人体骨骼肌系统的整体三维重建;建立人体骨骼肌系统各肢体部分有限元模型,利用系统集成的方法建立人体骨骼肌系统的整体有限元模型;对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动行运动捕捉测量实验,进行人体骨骼肌系统弯腰搬物的整体有限元仿真分析。 结果与结论：建立了人体骨骼肌系统的整体有限元模型,人体弯腰搬物过程中总体有限元仿真分析显示,腰椎部分是提供人体弯腰搬物运动的主要动力部分,而胸椎则在整个弯腰搬物运动中起的作用不大,结果分析同解剖学和生理学上的解释一致。说明建立的人体骨骼肌系统整体有限元系统集成建模方法和模型,能够有效真实地对人体骨骼肌系统整体运动过程中的微观力学行为进行仿真分析,为从整体角度研究人体骨骼肌系统的深层次力学现象提供了一种新方法。     

颈椎融合术与非融合术生物力学研究进展

本文归纳整理了近年来颈椎融合术和非融合术生物力学研究领域的主要进展,总结了人体及动物颈椎离体标本的差异性以及颈椎离体生物力学研究常用的三种实验方法,综述了颈椎融合术和非融合术新型植入器械的生物力学、混合术的力学评估、颈椎耦合运动分析以及颈椎重要力学参数的研究进展,并结合最新研究趋势,对颈椎生物力学实验理念、加载测量方法、多节段混合术及耦合运动研究等重点方向进行展望。     

中国男性青年人体体段惯量的测算

采用ＣＴ成像和图像分析技术在尸体研究的基础上,对５０例男性样本进行一全身ＣＴ横断层扫描,图像分析和测算,获得了样本各体的段的长度,体积和质量等惯性参数,进而确定了中国男性青年人体的质量分布,为建立中国人休惯性参数模型提供了基础数据。也为人体运动生物力学分析和研究提供了重要依据。     

脊椎腰骶关节的有限元模型及其有效性验证

为了研究人体脊椎腰骶关节的生物力学特性,本研究利用三维激光扫描技术测量了人体脊柱骨骼样品的外形结构,然后根据所测的点云坐标数据建立了一个详细的人体腰骶关节L5-S1的三维非线性有限元模型。同时利用可获得的实验研究结果对该模型进行了有效性验证。结果表明,在10Nm力矩作用下,有限元模型的前俯、后仰、左侧弯、右侧弯、轴向左回转和轴向右回转的变形角度分别为9.11°、7.33°、4.95°、5.35°、2.92°、3.03°。该有限元模型的建立为人体脊柱腰骶关节的生物力学分析及器械植入研究提供了更为详细准确的计算模型。     

面向植入式医疗器械的人体运动学分析方法综述

随着植入式医疗器械的大量使用,其安全性受到广泛关注。植入式医疗器械出现故障,力学原因被认为是其失效的一个重要因素,日常活动中微小而反复的力学载荷会造成植入式医疗器械元件的疲劳损坏。获取并研究典型日常活动的人体重点解剖部位的运动信息,对植入式医疗器械的设计及手术方案的优化具有积极意义。本文概括了人体运动学研究的3种方法以及日常活动模拟动作的选取,介绍了该领域的最新进展及问题,并展望了有价值的研究方向。     

心血管生物力学与力学生物学2022年研究进展

心血管系统对整个生物体起着至关重要的作用。它执行许多重要功能,如为器官和组织提供营养、激素、向细胞输送氧气和维持生理温度。长期以来,准确识别机体血管壁的体内非线性、各向异性的力学特性一直被认为是心血管生物力学领域的关键挑战之一,因为这些特性是整个心脏功能的关键决定因素。目前,机械力和组织力学特性在动脉瘤、动脉粥样硬化等心血管疾病中的作用仍然是基础与临床研究的热点。本综述总结了2022年心血管生物力学与力学生物学领域的最新研究进展。在心血管生物力学方面,研究者关注心血管系统的结构、功能和病理生理学,并利用力学模型等方法来研究这些问题;主要包括动脉粥样硬化、动脉瘤和心肌梗死等疾病的生物力学特性研究,以及基于心血管系统动力学的治疗方法的开发和测试。在力学生物学方面,研究者探索了心血管细胞的力学特性和细胞外基质力学特性等;主要包括基于机器学习的细胞力学性质预测、生物材料力学性能研究以及力学特性在心血管细胞表型变化中的作用。这些研究成果为心血管疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法,并为生物力学和力学生物学领域的研究提供新的启示。     

下肢运动信息采集与运动仿真

目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型,进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据。方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息。利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析。基于Matlab中Simulink的机械仿真模块（SimMechanics）建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号。基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制。结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证了模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现了平地行走功能。结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用。     

基于2006至2015年Web of Science数据库的运动生物力学共词分析

BACKGROUND: Scientific and technological literature as the main carrier which displays development of science and technology has been not used to review the research on sports biomechanics, so development of sports biomechanics is restricted. OBJECTIVE: Based on the co-word analysis of high-frequency keywords, to objectively analyze the present situation and development trend of the foreign sports biomechanics by using the multivariate statistical method. METHODS: Based on the collection of international literature on sport biomechanics from Web of Science, we explored the research topics by factor analysis, cluster analysis and multidimensional scaling analysis with the help of co-word analysis and SPSS 20.0. RESULTS AND CONCLUSION: International research topics of sports biomechanics mainly include four groups: mechanics of sports injury and sports biomechanics, motor analysis and sports biomechanics, prevention of sports injury and sport biomechanics, sports rehabilitation and sports biomechanics, all of which have been analyzed deeply. Finally based on the analysis of characteristics of research topics, we make a prospect of sports biomechanics in China in combination with China’s national condition.      

主动健康中的生物力学

在主动健康中,生物力学发挥着不可替代的作用。运动通过肌肉和关节活动对人体组织和器官形成力学刺激,促进健康,也可能导致损伤或病变。另外,在辅具设计与评价、康复临床诊疗中都涉及生物力学。主动健康生物力学的发展需要体育和医学的融合,考虑更多动力学、疲劳和力学耦合问题。在将来的研究中,一方面需要借鉴其他生物力学方向的经验,另一方面结合科技发展前沿开拓生物力学新方向。     

神经生物力学增能技术前沿与进展

近年来,神经生物力学增能技术改善和提高人体机能和运动能力的作用受到国内外广泛关注。总结通过如非侵入式脑刺激和来自运动装备的生物力学增能技术对人体运动表现影响的新成果,并进一步探讨其改善并促进人体运动能力的可能机制,归纳基于动物实验已取得的初步证据以及人体多关节运动下神经动作控制的生物力学研究,阐释大脑皮层调控激活-神经肌肉协调控制两个层面下人体运动能力增强的协同发展及其与运动装备的融合,为未来我国神经生物力学及人体运动生物力学的前沿发展和研究定位提供参考。     

2016~2018年我国生物力学研究进展

生物力学已成为生物医学工程研究最活跃的领域之一。近年来,我国生物力学在细胞分子层次机制研究、基于生物力学理论和方法发展有疗效或有诊断意义的新概念和新技术方面取得了显著进展,有效地促进了生物医学基础与临床和人类健康与疾病相关领域的研究。着重介绍近3年（2016~2018年）我国在心血管生物力学、骨肌系统生物力学、器官生物力学、细胞分子生物力学与力学生物学等方面所取得的进展情况。     

眼力学研究进展

眼生物力学已在高度近视眼及眼球运动障碍的诊疗上得到应用,并且在青光眼与眼外伤的发生与发展等研究上取得了进展。本文从眼球的运动建模、角膜与巩膜的力学性质及其力学生物力学研究、青光眼的生物力学研究、眼外伤的发生机制研究等方面综述近年来眼力学的研究进展。     

生物力学在运动医学领域应用现状和展望

本文展示生物力学在运动医学领域内的现状,阐明其面临的主要问题及发展方向。同时收集了生物力学在运动医学领域内不同方面的发展资料,分析了该领域内取得的主要成就及存在的问题,总结了生物力学在运动医学领域内的主要成果及不足,提出了发展方向。生物力学在运动医学领域内发展良好,前景光明。     

A comprehensive three-dimensional dynamic model of the human head and trunk for estimating lumbar and cervical joint torques and forces from upper body kinematics

Linked-segment representations of human body dynamics have been used extensively in biomechanics, ergonomics, and rehabilitation research to systemize thinking, make predictions, and suggest novel experiments. In the scope of upper body biomechanics, these models play an even more essential role as the human spine dynamics are difficult to study in vivo. No study exists to date, however, that specifically disseminates the technical details of a comprehensive three-dimensional model of the upper body for the purpose of estimating spinal joint torques and forces for a wide range of scenarios. Consequently, researchers are still bound to develop and implement their own models. Therefore, the objective of this study was to design a dynamic model of the upper body that can comprehensively estimate spinal joint torques and forces from upper body kinematics. The proposed three-dimensional model focuses on the actions of the lumbar and cervical vertebrae and consists of five lumbar segments (L1 to L5), the thorax, six cervical segments (C2 to C7), and the head. Additionally, the model: (1) is flexible regarding the kinematic nature of the spinal joints (free, constrained, or fixed); (2) incorporates all geometric and mass-inertia parameters from a single, high-resolution source; and (3) can be feasibly implemented via different inverse dynamics formulations. To demonstrate its practicality, the model was finally employed to estimate the lumbar and cervical joint torques during perturbed sitting using experimental motion data. Considering the growing importance of mathematical predictions, the developed model should become an important resource for researchers in different fields.     

运动损伤生物力学研究

所有专业和业余运动员都承受着各种急性或者慢性运动损伤,损伤形式随项目不同而各异。生物力学研究是确定运动损伤危险因素和损伤机制的关键。运动损伤生物力学研究一般采用实验、建模仿真以及统计模拟3种方法。从运动损伤的流行病学特征出发,对相关生物力学研究进行较为全面的整理和总结,希望为开展运动损伤生物力学研究、运动损伤防护研究、临床与康复治疗等提供理论基础。     

膝关节损伤修复材料及生物力学性能

背景：膝关节是人体的主要负重关节也是人体运动的中枢部位,其生理结构和运动构成较为复杂,在体育运动及日常生活中膝关节损伤较为常见,选择合适的膝关节生物材料进行修复或重建至关重要。 目的：对膝关节生物材料的性能要求及临床应用情况进行概述,着重对生物材料的选择与其生物力学的相关性进行阐述与分析。 方法：应用计算机检索PubMed、维普和万方数据库中1980-01/2011-10关于膝关节损伤治疗及其材料学方面的文章,在标题和摘要中以“膝关节;材料;力学”或“Knee; Materials; Mechanics”为检索词进行检索。最终选择27篇文章进行综述。 结果与结论：在行膝关节再生或重建以及假体置换过程中,理想的材料学特征对治疗效果起着关键的制约作用,从对材料的选择与其生物力学的相关性来看,二者有着密切的相互促进和相互制约的关系。研究和开发理想的生物力学性能材料固然重要,同时运用合理的物理学手段对其进行改性或处理以达到理想力学性能材料的需求,也是切实可行的重要手段。