虚拟人体的研究现状与进展

综述了目前国际上有关虚拟人体在多个层面上的研究现状.首先以心脏虚拟模型为例,介绍了从细胞到器官功能系统的虚拟模型建立方法和研究现状,然后简要介绍了整个虚拟人体计划的研究进展和相关的标准、工具以及数据库的发展状况,讨论了虚拟人体在医疗诊断、医疗器械设计、虚拟手术及医学教育与训练等方面的应用.最后总结了目前虚拟人体研究领域所面临的挑战,并对其军事应用意义进行了探讨.     

基于核磁共振成像的人体骨骼肌动态重建方法

目的：利用人体核磁共振成像技术,建立一种人体骨骼肌在体三维形态快速重建的新方法。方法：选取上肢屈肘运动、下肢屈膝运动为典型运动,利用核磁共振测量技术,将屈肘运动分成4个相位,每30°进行一个静态相位的测量,不负重。将屈膝运动分成4个相位,每30°进行一个静态相位的测量,不负重。获取屈肘、屈膝运动下的骨骼肌核磁共振序列图像数据。利用水平集图像处理算法,对这些数据进行配准、分割研究,利用体素法进行骨骼肌的三维形态重建,获取人体骨骼肌在屈肘、屈膝运动过程中的在体三维形态变化规律。结果：获取了屈肘、屈膝运动中在体骨骼肌的动态核磁共振图像数据,建立了相应的三维形态模型。结论：建立了一种基于水平集理论和体素法的人体骨骼肌软组织医学图像处理与三维形态重建方法,为骨骼肌相关研究和临床应用提供了一种新方法。     

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。     

男子下蹲式抓举技术动作的生物力学特征分析

目的研究不同抓举重量下男子抓举技术动作的生物力学特征。方法利用8通道EMG测量系统、三维测力平衡系统和数码摄像机,对上海市举重队现役男子举重运动员在不同重量下抓举过程中的8块具有代表性的浅层骨骼肌的表面肌电、足底反力和抓举视频做同步采集。结果不同抓举重量下举重运动员的足底反力变化曲线趋势一致,基于足底反力曲线中的特征点对抓举技术动作阶段可划分为7个阶段,预备阶段、伸膝提铃阶段、引膝提铃阶段、发力阶段、惯性上升阶段、下降定铃阶段和起立阶段。抓举过程中肌群活动的时间顺序为:背阔肌、竖脊肌、肌直肌、三角肌、肱三头肌、胫骨前肌、肱二头肌和斜方肌。其中,斜方肌的积分肌电值最大,背阔肌的积分肌电值最小。随着抓举重量的增加,肱三头肌和三角肌的积分肌电值增加最大。结论为提高举重运动员抓举项目的比赛成绩,运动员应该重视斜方肌、肱三头肌和三角肌的训练。     

基于仿真胸腔生物力学特性的新型模拟人在心肺复苏教学训练中的应用

目的　采用多弹簧组变阻尼结构模拟真实的人体胸腔生物力学特性,结合原有的电子反馈系统设计出一款基于仿真胸腔生物力学特性的新型心肺复苏训练模拟人,并测试其在心肺复苏（cardiopulmonary resuscitation,CPR）教学中的应用效果。方法　选取海军军医大学2019级五年制临床医学专业的60名本科学员作为研究对象,分成试验组和对照组,每组30名。对照组使用传统模拟人进行CPR培训,试验组在对照组基础上应用新型模拟人进行CPR培训。培训结束后对两组人员分别进行单项技能考核。单项技能主要是徒手进行心肺复苏操作,包括人工呼吸与胸外按压。比较两组的CPR理论和技能操作考核情况及对教学方法的满意度。采用SPSS 23.0进行统计学分析。结果　试验组学员单项技能操作考核成绩为（54.33±3.09）分,优于对照组学员（52.33±3.08）分,差异有统计学意义（P <0.05）。调查问卷显示,试验组学员对于新型模拟人的教学训练效果评价较好。结论　新型心肺复苏模拟人相比传统模拟人,更能够模拟真实人体的心肺复苏急救场景,可以有效提高医学学员规范化培训CPR教学效果,助力我国心肺急救技术的标准化、规范化、普及化工作。     

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。     

便携式遥操作海上落水人员捞救器的设计

目的 设计一种便携式遥操作海上落水人员捞救器。方法 结合海上具体环境和机载特性,吸取现有海上救援器的优点,利用质量功能展开法对捞救器进行功能分析与目标特性设计。从6种捞救器概念设计方案中选出最佳的三角捞救器,并用STAR-CCM⁺软件进行表面压力分布仿真分析,用ANSYS Workbench软件进行变形量、应力、应变能分析,用失效模式和效果分析（FMEA）进行可靠性分析。结果 三角捞救器满足STAR-CCM⁺软件的表面压力分布仿真分析和ANSYS Workbench软件的变形量、应力、应变能分析,达到了消耗能量低、敏捷性好的要求。对可靠性分析中可能出现的失效起因做了针对性处理。结论 本研究设计的便携式遥操作海上落水人员捞救器具有轻便、机动性强、安全性高等特点,能为海上救援提供很大帮助,具有一定的军事价值及社会、经济效益。     

抓举过程中运动员的上肢运动学分析

人体运动过程中,身体各部位的加速度、角加速度等运动学参数对计算关节力、关节力矩及肌肉力等动力学参数起着至关重要的作用.文章通过分析人体运动过程中关节坐标系相对世界坐标系的瞬时位置关系,以及各时刻关节坐标系空间位置关系,提出了基于关节坐标系的人体运动学参数计算方法.然后,以运动员抓举杠铃过程中的上肢运动为例,利用运动捕捉系统进行数据采集,计算出前臂在运动过程中的质心平移加速度和角加速度.结果 表明,前臂质心总的平移加速度主要由竖直方向的分量构成,而角加速度主要在改变杠铃轨迹过程中产生.     

测量并分析上楼梯过程中下肢关节角变化

目的获取上楼梯运动过程中国人下肢关节活动范围的统计学数据,从而为大屈曲度人工关节设计提供依据。方法设计常规楼梯实验装置,利用运动捕捉系统(Optotrak Certus,NDI)和三维测力台(AMTI,Bertec),建立系统地测量上楼梯过程中下肢运动的方法,并应用此方法对40例样本进行测量。结果计算获得了40例样本在上楼梯过程中,髋关节、膝关节及踝关节在1个运动周期内沿各方向上关节角的变化规律及活动范围,其中髋、膝、踝关节在矢状面上活动范围分别是-1.6°～66.7°,0°～91.4°,-20.8°～22.4°。结论上楼梯运动过程中,髋、膝、踝关节在矢状面上活动度最大,且髋关节和膝关节屈曲度最大。与水平路面上正常行走和慢跑运动中关节运动范围比较,上楼梯运动中,髋关节和膝关节在矢状面上运动范围均较大。     

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。