基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述

红外捕捉系统、高速摄像、平面摄影、表面肌电测试等现行实验室测试手段不能显示人体运动时肌肉产生肌力的具体信息以及准确阐释神经-肌肉协调机制。因此,计算机模拟与仿真应运而生。目前,国内用来进行人体动作仿真的软件主要有Life MOD、Any Body、ANSYS等,这些软件有其自身的缺陷,如肌肉控制不够精确、价钱昂贵等。为了更好解决肌肉模拟问题,斯坦福大学团队研发了一款免费软件Open Sim,它是基于C++和JAVA语言开发的一款应用于肌肉模型开发、模拟仿真与分析神经肌肉系统的开放性软件。以计算机建模与数学理论推导为基础,对Open Sim建模理论和步骤进行详细介绍,为国内从事运动生物力学研究学者提供一些理论参考;同时,探讨未来利用Open Sim建模仿真研究的主要方向,例如通过Open Sim的模拟研究可以探求偏瘫步态、帕金森步态等异常步态的神经-肌肉机制,为异常步态康复手段的改进和完善提供依据。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

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。     

有限元分析法在脊髓损伤生物力学中的研究进展

脊髓损伤时的变化非常复杂,动物模型很难精确模拟损伤环境以及测量局部组织的生物力学属性,而有限元模型则可以通过分析脊髓组织的应力和应变分布,从生物力学角度为脊髓损伤的病理研究和治疗提供一个更为高效的方法。目前,有限元模型已被广泛应用,并与动物实验模型相辅相成。本文回顾了有限元法在脊髓损伤中的研究进展,对有限元法在脊髓本体建模、脊髓损伤的生物力学行为及其临床应用等方面的研究现况进行归纳及总结,以期为临床脊髓损伤问题提供更为全面的理论参考。     

有限元方法在脊柱生物力学中的应用研究

有限元分析可对形态、结构、材料和载荷情况及复杂的构件进行应力、应变分析,具有力学性能测试全面、可重复性等优点,目前广泛应用于脊柱复杂结构的生物力学研究中。文章简单介绍了有限元的概念、原理和建模方法,主要从腰椎、颈椎、内固定器械和术式选择上阐述了有限元在脊柱上应用。     

机器人实验系统在人体膝关节生物力学实验中的价值

采用混合力/位移控制方法对人体膝关节标本进行加载,通过人体膝关节半月板全切除术的生物力学实验分析自主研发的机器人生物力学实验系统的作用与价值。整个机器人控制系统可以实现对实验标本进行连续加载,克服了以往的实验装置只能断续加载的缺点。它可以实时读取标本的受力,以及在此受力状态下的空间位置,克服了以往力和位移的测量分离的缺点,大大提高了测量精度。     

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

骨生物力学特性在骨质疏松症中的改变

骨质疏松症是一种以系统骨量、骨强度及骨微结构损害为特征常导致骨折风险增加的疾病,是绝经后妇女常见且严重的情况。骨的生物力学特性取决于骨材料数量、质量及其空间结构,主要受骨皮质、骨松质和骨胶原蛋白的影响。当骨质疏松症发生时,骨皮质、骨松质和骨胶原蛋白均发生相应改变,从而导致骨生物力学特性的变化。重点对骨质疏松时骨皮质、骨小梁和胶原蛋白的变化加以概述,以全面认识骨生物力学特性在骨质疏松症中的改变。     

有限元分析在脊柱外科生物力学的应用

有限元分析是工程活动中的一个组成部分,其被应用于许多工业产品的设计测试中,如家电、汽车、航空等方面。这种方法首先于1950年代在航空业中发展起来,成为目前许多重要飞机构件设计的必需工具。1972年,Brekelmans等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。自此以后,有限元分析逐渐被广泛应用于生物力学研究,促进了人们对一些机体生物力学行为的深入理解。     

有限元分析在腰椎生物力学应用中的研究与进展

背景：有限元法运用数学形式概括脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件等,通过改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。 目的：回顾性分析腰椎有限元模型的建立方法、有限元软件在腰椎生物力学中的应用以及有限元分析在腰椎植骨融合后临近节段活动度的改变及应力改变中的应用。 方法：由第一作者检索1990/2010年PubMed数据库及CNKI数据库有关有限元法在腰椎建模及腰椎不同植骨融合式对腰椎融合节段、临近节段应力改变影响等方面的文献。 结果与结论：有限元分析被越来越广泛的应用于医学,并成为其重要组成部分。在脊柱方面,有限元分析可以全面了解不同植骨融合术式及各种内固定对其生物力学改变的影响,从而可以改进植骨融合术式及优化内固定器械。但有限元毕竟属于理论性的分析,未来的研究应将其与动物实验及长期临床随访相结合,从而可以很好地预测手术远期疗效,并对并发症的预防具有重要临床意义。     

有限元分析在口腔生物力学中的应用

背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。 目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。 方法：以“有限元分析;口腔;生物力学”为中文关键词,以“finite element analysis (FEA);oral cavity;biomechanics” 为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。 结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析,可获得模型任何部位的应力值和位移值,并借助计算机从而快速精确地求解,客观、准确、真实地反映应力的分布状况,为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。 关键词：有限元分析;口腔;生物力学;牙槽;三维 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.033     

基于三维有限元静态分析的人体足部生物力学研究

目的:建立一个基于健康人体的、系统的、具有高度几何相似性的足部三维有限元模型,并用此模型静态地分析人体双足站立相时的足部内部的生物力学特性,量化足部内部的应力/应变状况、足部内侧纵弓变化等。方法:基于志愿者右足的3维CT层切数据,对足踝系统相关组织进行几何重建及其网格划分,建立完整的有限元模型并对人体站立状态进行了静态模拟。结果:站立姿态下的足底表面接触压力分布、内部软组织应力分布以及内侧足弓的变形等人体足部生物力学特性被量化。结论:本研究中创建的三维有限元足部模型,经验证是一个正确、可靠的模型,可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解足部内部的许多生物力学特性。     

有限单元法在脊柱生物力学应用研究进展

自 70年代起 ,有限单元法 (finiteelementmethod ,FEM )开始应用于脊柱生物力学研究[1] 。由于传统的力学试验研究需有完善的实验设备及较多的人力和物力 ,一旦实验条件发生变化 ,实验又将重新开始 ,增大了研究成本 ,延长了实验周期。随着计算机的发展 ,人们可以利用有限元数值模拟生物力学实验近似获得求解 ,显示了极大的优越性。近年来 ,FEM在脊柱生物力学应用中已取得迅猛发展。骨科医生根据临床中碰到的实际问题设计不同的力学模型 ,通过FEM模拟分析求解 ,从而能较完美地解释临床问题 ,同时也能推动临床工作的进一步深入认识和医疗…     

力学刺激在骨愈合中的作用及机制研究进展

骨组织是一种完全可再生组织,骨愈合的过程可以认为是骨痂中骨组织在生物力学环境下增殖、适应改建的过程.近年来,随着创伤骨科治疗水平的提高与生物力学的不断发展,新型内固定材料的不断发明与进步,骨折愈合机制的分子基础研究不断明确,骨科医生也从早期骨折手术治疗的绝对稳定固定理念转变为符合生物力学理念下的相对稳定固定.而理念的转...     

有限元法在骨应力分析及骨科内外固定系统研究中的应用

1943年，Courant首创了有限冗法（finite element method．FEM），1956年Turner将其用于飞机结构的分析，此后相继在航空航天、交通运输、化学化工、建筑工程中得到了应用。Brekelmans和Rybicki在1972年第一次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究，近年来发展非常迅速，尤其随着计算机和软件技术的突飞猛进发展，在骨科生物力学研究中占主导地位．成效显著，具有广阔的发展前景。     

有限元法在足踝生物力学研究中的应用进展

有限元法以其高效、精确、可重复利用等特点成为生物力学研究的有效工具。由于足踝部位复杂的解剖结构和运动特性,有限元法可以借助强大的仿真建模和数据计算能力解决真实实验难以解决的问题,具有独特的优势并得到了广泛应用。本文归纳整理了近5年来国内外应用有限元法研究足踝生物力学问题的文献资料,从足踝在不同运动状态下的生物力学分析、组织特性研究、临床治疗分析以及支具与鞋的研究4个方面进行综述,为足踝生物力学的研究提供理论参考,并对未来有限元法在足踝生物力学领域的应用发展提供新思路。     

数字标记点相关法在脊柱生物力学中的应用研究

脊柱是由刚度较大的椎体和刚度较小的椎问盘与韧带通过特殊的构型和连接所成的运动体。通过对数字标记点相关法对动物（牛）脊柱的生物力学行为进行测量，得出了比较合理的结果。实验表明，在相同的试验条件下（模拟生理环境纯力矩状态下），将脊柱中相邻脊椎（L4-L5）固定起来所表现出的力学行为，如位移、变形以及相邻脊椎之问的相对转动角度等，与没有固定时的脊柱的整体力学行为表现基本相同，没有太大的差别；而当将相邻三节脊椎（L3-L4-L5）固定起来的脊柱所表现的整体力学行为却与没有固定时的脊柱有着明显的不同。同时也验证了该测试方法的可行性，更能为其它类似情况研究提供了一种新的测试方法，并可为脊柱融合手术提供可靠的数据支持。     

压敏片成像分析系统的研制及生物力学应用

本文对低压型及超低压型压敏片在环境温度为25℃,相对湿度为40％的条件下进行了光密度值的标定，结果用四阶多项式曲线拟合，并利用计算机实现了对压敏片压力信息的图像分析，系统误差约为12.0%。我们用压敏片测量了腰椎小关节的接触应力分布，并利用这套系统进行了分析，结果令人满意。     

基于有限元法的跟骨生物力学分析

目的基于有限元方法分析跟骨的生物力学特性。方法通过CT扫描,利用Mimics、Geomagic等软件,建立跟骨有限元模型,并分析在正常站立和外力冲击下跟骨的应力分布和位移趋势。结果在正常站立情况下,跟骨应力、应变整体分布均匀,应力、应变均较小;在受到外力冲击作用下,跟骨的整体应力、应变有明显的上升,其跟骰关节面的应力、应变明显增大。结论通过有限元方法分析跟骨中立位时在不同加载情况下跟骨的应力、应变情况,进一步探讨跟骨的生物力学特性以及跟骨骨折发生机制,为临床跟骨骨折治疗提供一定的理论依据。