汽车后碰撞时人体头颈部的动力学响应及损伤分析

目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的模型包括头部、8节椎骨(C1～T1)、6个椎间盘(包括纤维环、髓核和上下软骨终板)、小关节(包括软骨和关节囊韧带)、韧带、肌肉等结构,最后在有限元后处理软件中完成模型验证与后碰撞计算。结果分别对模型进行轴向冲击、前后屈伸和侧屈模拟并与实验数据对比,验证模型的有效性,并进行速度为20、40、60、80 km/h后碰撞计算。在20 km/h速度下,颈部无损伤出现,在40、60、80 km/h速度下,最早出现损伤的都是韧带。随着速度增加,颈部各组织受力不断增大。速度为80 km/h时,颈椎的密质骨、松质骨和纤维环最大应力分别为226. 4、11. 5、162. 8 MPa,当韧带应变达到极限时,开始出现撕裂。结论所建头颈部有限元模型具有较高的生物仿真度和有效性,可用于交通事故中颈部损伤分析的研究,在一定程度上有助于颈椎损伤的诊断、治疗和预防。     

基于表面肌电信号的手势识别与分析

目的 研究利用前臂及手部表面肌电( surface electromyography,sEMG)信号进行手势识别的方法,以及不同 手势下拇指、食指的关节角度,探讨 sEMG 信号控制外骨骼手的可行性。 方法 采集 20 名健康右利手受试者右侧 前臂及手部 6 块肌肉 sEMG 信号。 提取 sEMG 信号的时域特征值,对比人工神经网络( artificial neural network, ANN)、K-近邻(K-nearest neighbor, KNN)、决策树(decision tree, DT)、随机森林( random forest, RF)和支持向量机(support vector machine, SVM)等多种分类器对 6 种日常手势进行识别。 同时,采用 Vicon 摄像机跟踪系统捕捉右手拇指、食指运动轨迹,计算拇指、食指关节角度。 结果 利用前臂及手部 sEMG 信号可以实现 6 种手势的模式识别,其中 ANN 分类器的分类预测效果最好,测试集预测精度可达 97. 9% ,Kappa 系数可达 0. 975。 同时,计算得到不同手势下拇指、食指的关节角度,并进行不同手势下关节角度相关性分析。 结论 利用前臂及手部 sEMG 信号进 行手势识别,能够实现具有几乎完全一致的分类预测结果。 研究结果证明了 sEMG 信号手势识别应用于外骨骼手 控制的可行性。     

操作鼠标时鼠标和腕部接触压力的TekScan测量

目的研究不同鼠标操作时鼠标和腕部与桌面之间接触压力分布特征,探讨操作鼠标时桌面对鼠标和腕部的影响,获得导致手及腕部肌肉骨骼不适的生物力学依据。方法使用激光扫描仪和TekScan压力测量系统,测量不同鼠标操作时鼠标和腕部的接触面积和接触压力。结果测量得到了鼠标和腕部与桌面的接触压力、接触面积和接触力随时间的变化关系以及接触压力峰值。在单击左、右键和滚动中键时鼠标的接触压力峰值分别为62.87、33.83、74.66 kPa,而腕部为击键过程的最小值,分别为23.25、11.02、16.26 kPa。结论在操作鼠标过程中,由于大、小鱼际以及腕部的尺侧和桡侧区域一直受到持续的压力作用,重复持续的鼠标操作会导致腕管综合症等肌肉骨骼不适症的发生。     

兔脊柱节段压缩的生物力学研究

目的通过进行动物脊柱的轴向压缩实验,探究脊柱损伤的病理机制,为脊柱损伤的治疗、预防和研究提供参考。方法通过轴向压缩实验对兔脊柱节段进行生物力学研究,同时利用数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术记录压缩过程并进行应变分析。结果沿脊柱从上向下,节段的极限载荷和承载能力均不断增加;相对应的单椎体的平均极限载荷明显大于节段;椎间盘在水平和竖直方向的应变明显大于上下椎体。结论在脊柱承受压应力的过程中,应重点考虑椎间盘的承载能力,脊柱节段的损伤主要表现为椎间盘异常。研究结果有助于脊柱压缩性骨折的预防和治疗,以及相关治疗器械和辅助器械的设计。     

基于任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法的标枪飞行仿真

目的(1)确定使用任意拉格朗日-欧拉(ALE,Arbitrary Lagrangian-Eulerian)流固耦合方法进行标枪飞行仿真的可行性;(2)通过ALE方法,确定最佳投掷时的攻角值。方法使用Femb前处理软件建立了标枪和空气的有限元模型;同时设置了标枪和空气的材料属性和单元属性,施加载荷、初始和边界条件,在此基础上用LS-DYNA求解器对给定出手参数的标枪进行了计算机仿真。结果给出了速度为30m/s,倾角为39°,高度为2m时,不同攻角下枪尖的水平和竖直位移。结论通过仿真,不但证明了使用ALE流固耦合方法进行标枪飞行计算机仿真是可行性的,而且出手参数的调节也容易控制;通过仿真分析,确定了30m/s和39°出手时,获得最佳投掷距离的攻角值为-3°。     

单手操作手机时常见拇指动作关节角度与接触力测量和分析

目的 研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法 使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学生志愿者单手操作手机时拇指关节角度和指尖接触力,并对人体参数、关节角度和接触力进行统计学多因素相关性分析。结果 通过仪器测量得到单手手机操作时上滑、顺时针转、右点、左点、左滑等动作的关节角度与接触力;统计分析表明,手长、拇指总长对各关节角度均值和最大接触力有显著影响(P<0.05),且手长与掌指关节角度均值、最大接触力基本呈负相关。结论 减小拇指运动幅度避免拇指过伸或过屈,或减少使用手机的频率,或减少操作手机的作用力,可以一定程度上减少拇指屈肌腱和腱鞘与骨纤维管道的摩擦力以及相互之间的挤压力,从而可以减少拇指狭窄性腱鞘炎的形成。     

膝关节活动单髁假体衬垫形状及安装位置对置换后膝关节应力分布影响的有限元分析EI北大核心CSCD

在单髁置换手术中,市面上可供选择的单髁假体种类较多,常见的衬垫与股骨假体接触面一致性与否,会对置换后的膝关节应力分布产生不同的影响。单髁置换术后胫骨平台内侧断裂以及衬垫脱位是常见的两种失效形式,原因之一是单髁假体在膝关节中的安装位置不匹配,可能导致失效。故本文主要研究衬垫与股骨假体接触面的形状及单髁假体的安装位置对置换后膝关节应力分布的影响。首先,本文建立了正常人体膝关节有限元模型,通过应力和变形两种方式验证了该模型的有效性。其次,建立了两种不同形状衬垫膝关节假体模型(A型和B型),模拟分析在单腿站立情况下,两种衬垫5种内外翻安装位置的膝关节应力分布情况。结果表明,在1 kN轴向载荷下,衬垫峰值接触压力、前交叉韧带峰值等效应力、外侧半月板峰值接触压力,这3种参数A型均比B型小,5种内外翻安装位置下A型在内翻3°时衬垫变形、衬垫峰值接触压力、胫骨峰值等效应力、前交叉韧带峰值等效应力均最小。单髁置换时,建议假体内翻6°以内,选择A型或B型衬垫,需结合患者的其他因素综合分析选择。综上所述,本文研究结果或可降低单髁置换后衬垫脱位、胫骨内侧平台断裂的风险,以期为单髁假体设计提供生物力学参考。     

兔单椎轴向动态冲击的实验研究

目的通过对兔单椎进行动态冲击破坏试验,并与静态压缩实验进行对比,研究椎体轴向冲击的损伤机制。方法通过落锤动态冲击实验装置,利用示波器和高速摄影获得力传感器的电压波形图和椎体冲击的详细过程。结果胸、腰椎平均静态载荷分别为910、947 N,平均动态载荷分别为1 196、1 026 N;胸、腰椎平均动荷系数分别为1.37和1.08。静载条件下,胸、腰椎平均等效应力为15.28、12.51 MPa;动载条件下,胸、腰椎平均等效应力20.03、13.56 MPa。动态冲击过程中,纵向、横向平均应变分别为-0.3和-0.005(压缩);动载条件下,椎骨的破坏能量从0 J一直增大到4.4 J。结论在动、静态实验条件下,同一椎体动态载荷大于静态载荷;胸椎平均动荷系数大于腰椎;胸椎应力大于腰椎;椎体受到轴向冲击力时纵向应变大于横向应变;椎体能量增长呈现先缓慢后快速的过程。研究结果可以为临床人脊柱椎体损伤的预防和康复提供指导意见。     

人体上肢的ADAMS建模及仿真

目的 通过对人体上肢生理结构及其运动特征的分析研究，对上肢结构进行适当的简化，建立了一个两刚体的运动系统，分析上肢的运动。方法 运用ADAMS仿真软件，将上臂和前臂的骨骼简化为两刚体，上臂和躯干间的连结简化为球铰，上臂和前臂间的边结简化为合页饺，肌肉的作用简化为作用于其质心处的力，建立上肢的运动模型，并对旋内外，展收和屈伸三种简单运动进行仿真模拟。结果 模型仿真的结果与上肢的实际运动情形相一致。结论 使用ADAMS可以很好的建立人体上肢的运动模型，分析人体上肢的运动。