肌骨系统生物力学建模2021年研究进展

肌骨系统生物力学模型具有精确的人体解剖结构和良好的生物逼真度,能够较为精准有效地描述肌骨生物力学状态、预测肌骨内部力学响应,故被广泛应用于人体肌骨系统生物力学研究、骨科疾病诊断和治疗、植入体优化设计及术前规划.2021年国内外关于肌骨系统生物力学建模方法的最新进展主要体现在个体化有限元建模、统计模型建模和肌骨系统建模3...     

OpenSim在人体骨肌系统生物力学中的应用

斯坦福大学开发的生物力学与步态分析软件OpenSim主要用于人体肌肉骨骼系统的可视化、建模与分析,在生物力学、神经科学、人体工程、康复工程、体育科学和教育等领域得到了广泛的应用。该文从人体骨肌系统仿真分析的发展历史,基于OpenSim的运动与动力学分析、生物力学应用建模、平台算法创新与外部软件的连接和功能扩展等方面对OpenSim的应用现状进行介绍,有助于研究人员系统地了解OpenSim在生物力学领域的最新研究进展和应用成果,为OpenSim在生物力学领域后续研究工作的开展提供参考。     

基于AnyBody 的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真

为了更好地了解汽车驾驶时人体腿部肌骨的受力状况,建立了腿部肌骨模型并进行了生物力学分析。结合人机工程学相关知识和驾驶室内人体腿部的空间几何关系,利用AnyBody Modeling System软件建立了人体腿部的肌骨模型,对正常行驶过程中踩踏油门踏板的实例进行了腿部逆向动力学仿真,并分析了腿部肌肉活动状态以及关节节点力。仿真结果表明,负载较大的股外侧肌、股内侧肌、股中间肌以及股直肌的激活度均在20%以内,趾骨节点处负载最大为346.43 N,为确定合理的踏板操纵力提供了依据。     

以电脑三维骨骼肌肉模型作生物力学分析在运动科学及医学上的意义与应用

将生理学、工程分析和计算机三维图像技术结合起来打开了创造"虚拟人"的大门。本文报道了一种具有广泛应用基础且功能齐全的人类肌肉骨骼系统的生理生物力学仿真技术。该仿真技术从结构水平、静态和动态模型的可视化结果上,并综合利用生物力学分析及图形化建模的专业知识来研究骨骼关节和软组织的力学性能,可与人体组织符合的模型包括假体植入物、内固定系统、功能康复锻炼装置,以及一个功能强大的计算平台联合在一起形成一个可在不同边界及加载条件下作静态、动态、动力学、应力及应变分析的应用软件系统及数据库—简称为VIMS(Virtua     

中国力学虚拟人

“中国力学虚拟人”是国家自然科学基金重点项目。它是一个人体骨肌系统参数化几何模型,通过输入人体参数,可以转换为具体研究对象的骨肌系统模型;通过运动捕捉系统,可以将测量得到的人体运动转换为骨肌系统模型的运动;通过运动、动力学分析和肌肉力计算,可以得到一个行为过程中的关节力和肌肉力;它同时是人体全身骨肌系统的有限元模型,可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析。该项目将开发一个大型软件,支撑上述计算工作。它将在医学、医疗器械设计、人机工程学、体育与艺术科学、人身事故分析等广泛领域获得应用。骨肌系统建模的基本参数取自中国可视化人的研究成果。     

基于影像学构建个体化OpenSim下肢肌骨模型的生物力学研究应用进展

由于OpenSim肌骨系统模拟平台开源性,近年来快速发展且被大量研究使用。个体化OpenSim肌骨模型可计算基础的运动学与动力学数据,揭示神经肌肉控制、肌肉力量和几何学变化及关节接触力等信息;结合影像学建模分析病理步态的神经肌肉控制及辅具的人机工效学评估等研究均表明其应用的可靠性与可行性,但存在耗时及足踝关节模拟的局限性。构建个体化病理肌骨模型,能提升临床生物力学及医学工程学研究的精准性和多样性,揭示不同病理特点,并为制定精准的诊断与康复方案、健康监测与评估状况及外部装置的工效学定制与测评提供科学依据,以及为未来该领域研究提供启示与方向。     

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。     

头部前屈运动过程中颈肌特性的研究

目的分析人体头部前屈运动过程中头颈部肌群活动特性,探索人体头颈部肌肉疲劳原因。方法基于AnyBody软件建立人体头颈部肌骨模型,以Vicon运动捕捉系统测量数据为输入,对头部前屈运动过程中的肌力进行仿真,并结合文献数据进行分析。结果颈后肌群在头部前屈运动中起主要作用。在头部前屈45%和75%行程位置肌力分配模式不同。肌力对前屈角位移的积分WM一定程度上反映了肌肉的疲劳特性,其中颈半棘肌和多裂肌在头部前屈运动过程中WM最大,容易出现疲劳。结论本文建立的头颈部肌骨模型可为分析人体运动状态下肌肉分析提供技术平台。     

航空生物力学

飞行员在飞行中会面临各种复杂载荷,这些复杂载荷会给飞行员肌骨、血液循环等系统产生复杂生理影响,从而导致飞行员损伤。生物力学主要研究生物医学中的力学问题及力的生物学效应。航空生物力学是研究人体在航空动力环境中生理变化规律及其防护措施的学科,其主要研究内容包括:冲击载荷对人体的损伤及其防护;持续性载荷对人体的生理影响及其防护或对抗;振动与噪声对人体的生理影响及其防护等。     

踏跳瞬间足后部骨骼的三维有限元分析

目的建立足部三维有限元模型,对足后部骨骼在踏跳中的应力分布进行分析。方法应用CT扫描和CAD/CAM软件处理,建立足后部骨骼三维模型。通过对背跃式跳高踏跳的足底压力测量和逆向肌肉力量计算,确定载荷约束条件,并进行有限元计算。结果获得了踏跳瞬间,跟骨、距骨、舟骨等易损伤部位的生物力学响应和应力分布,发现跟骨后距关节,距骨背面均为应力集中处。结论本研究建立的模型可用于足后部骨骼生物力学研究,为踏跳中的运动损伤力学机理提供数据。     

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。     

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。     

力学刺激促进成骨和骨再生

肌骨系统的结构与功能、疾病的防治与康复均与力学环境和干预存在着密切的关系。伴随细胞分子生物学的发展,骨科生物力学研究从器官、组织水平深入到细胞、分子、基因水平。医用生物力学的发展促进了基于力学刺激原理的理疗设备的研发,使力学刺激促进成骨和骨再生成为目前骨科基础和应用研究的热点。《医用生物力学》杂志近年来刊登了一系列力学刺激对肉骨系统的基础和应用研究,这次选登了几项力学刺激促进成骨和骨再生,尤其在具有挑战性的骨折疏松骨折愈合促进方面的基础和应用基础成果,借此进一步加强相关领域中紧密结合临床需求的科学研究的开展。     

步态生物力学大数据分析研究进展

目的 研究目前步态生物力学大数据分析的前沿进展。方法 以2011～2020年步态生物力学大数据分析相关的科技文献为研究对象,运用内容分析法,从主题结构、层级水平、模型类型和分析技术4个方面进行分析与讨论,并在此基础上对步态生物力学大数据分析的未来研究进行展望。结果 大数据分析在步态生物力学的应用领域主要有5个层面,分别为干预和康复、运动训练、假肢设计和评估、了解病因和诊断、了解人移动的特点;步态生物力学领域大数据分析分为3个层级水平,其中描述性分析是使用最多的类型,约占41%;系统回顾步态生物力学领域大数据分析的模型和具体技术;拓扑数据分析是一个非常有前途的大数据探索工具。结论 大数据技术在步态生物力学和临床医学研究中具有巨大潜力。     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。 目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。 结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

建立基于广义Hamilton及Lie群理论的人体骨肌系统动力学方程

目的　建立一种基于广义Arial及Arial群理论的人体骨肌系统动力学建模方法。方法　首先,定义了人体骨肌系统的广义坐标,建立了人体骨肌系统Arial群位形流形;其次,在广义Arial动力学体系下建立了人体骨肌系统的动力学模型;最后,研究了该动力学模型的计算方法。结果　给出了基于广义Arial及其群理论的人体骨肌系统动力学方程,并以一个举重动作为例进行了骨肌系统动力学算法分析。结论　所提出的人体骨肌系统动力学方程能够有效真实地对人体骨肌系统进行动力学描述,为人体骨肌系统动力学分析提供了一种新方法。     

Current State and Prospects of the Research into the Biomechanics and Problems of Correction and Treatment of the Musculoskeletal System

Biomedical Engineering - The state and prospects of the scientific research into the biomechanics and problems of correction and treatment of the musculoskeletal system are described based on the...     

人体运动力学分析方法的回顾与展望

运动力学作为生物力学重要的分支和前沿方向,近年来在运动数据获取、力学参数测量及人体动力学模型建立等方面取得了许多重大进展,并对运动损伤预防及康复医学等领域产生了重要的影响。人体内力环境是运动、负荷、生物学和形态学相互作用的结果,准确测量和估计人体内力环境是运动生物力学的研究重点和难点,而个性化的数据获取和模型建立也是获得物理与生理上有效的组织生物力学预测的关键。该文回顾了运动学和动力学的研究与发展,为运动力学分析方法提供系统与全面的工作框架,并展望学科未来的应用与发展趋势,为相关领域的研究者提供参考。