人服系统上肢交互生物力学仿真模型

目的 通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法 分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果 3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论 该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。     

人服系统上肢交互生物力学仿真模型

目的 通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法 分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果 3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论 该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。     

一个人膝关节弹性咬合接触的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而根据赫茨理论,建立了在节股骨与胫骨弹性啼合接触的生物力学模型,并获得了膝关节弹性咬合接触的最大咬合接触应力,咬合接触面积和相对咬合接触变形的定解形式,这些解的结果,对于指导临床诊断和治疗膝关节病等均具有重要作用。     

人上气道生物力学模型的研究进展

建立人上气道生物力学模型是研究上气道结构和功能的有效方法,对上气道疾病的预测和治疗也有重要的临床意义。本文总结了上气道生物力学模型的研究状况,以及模型在上气道疾病治疗方面的的临床应用,并对今后的研究方向进行了展望。     

航天员舱外活动生物力学仿真及验证

目的目前航天员舱外活动所建的航天员生物力学模型缺乏人体解剖信息,且未见合理的验证方法;本文旨在给出相应解决方法,为航天员舱外活动仿真的进一步应用提供依据。方法选取典型舱外活动实例,建立带有肌肉作用力的航天员上肢反向运动学、动力学模型并进行仿真计算;利用运动学结果驱动OpenGL软件生成动画,实现运动学验证,进而辅以实物模型完成模型的动力学验证。结果运动学验证表明计算结果的正确性,动力学验证及仿真所得两块肌肉力结果的平均相对误差分别为14.54%和0.91%。结论本文建立了合理的航天员上肢模型,并进行了仿真计算;该仿真结果可信,提出的验证方法可行,为航天员舱外活动的生物力学仿真及验证提供支持。     

基于生物力学信息数字化机器人辅助手术系统

目的 建立一套数字化机器人辅助手术系统再现真实手术过程,并通过仿真系统与外部力反馈设备的结合实现对虚拟环境中机器人的控制和力觉反馈。方法 系统的设计包括：基于生物力学理论的人体组织建模、基于有限元方法人体组织生物力学模型的计算、外部力反馈设备的设计、控制算法设计等。通过多层次模型、系统集成等方法,实现基于生物力学信息并具有交互特性的虚拟机器人辅助骨折牵引复位手术平台。结果 当主手控制系统和虚拟环境生成机通过局域网连接成功后,该系统完成了闭环信息传递过程。结论 该系统可以实现对虚拟环境中手术机器人的主从控制、视觉反馈和力觉反馈。该项研究为数字化模拟外科手术相关技术的发展起到推进作用,模拟手术在提高手术成功率、新医生的培训方面具有很强的优势。     

生物医学系统模型的三维拟实仿真和信息交互

针对生物医学工程对象几何形状不规则,材料复杂等特点,提出并实现了基于多边形描述的分层次绘制的生物医学系统模型三维仿真显示和基于OpenGL选择模式的信息交互的软件方法,软件实现了三维模型的建立,随动几何变换和信息交互以及对常用有限元软件包数据文件的识别等功能,软件技术先进,界面友好,交互性强,使用方便,并具有良好的可扩展性和可移植性,为生物医学工程领域三维拟实仿真建立了一个优良的计算机图形学平台。     

一种用于膝关节生物力学研究的屈曲运动加载系统

针对膝关节生物力学特性研究的重要意义,设计和构建一种膝关节屈曲运动加载系统。系统由驱动装置、控制装置、判定屈曲角度的图像系统三部分构成。驱动装置包括步进电机和由一系列夹具、活杆等部件构成的传动机构,传动机构在步进电机的带动下驱动膝关节做屈曲运动。驱动装置的运行则通过由单片机、计算机、RS232等构成的控制装置实施控制。采用图像处理技术快速判断屈曲运动的角度,从而对屈曲运动进行反馈控制,实现了对膝关节屈曲运动的速度、幅度和时间长度的精确加载并对运动中屈曲角度的快速非接触式测定。该系统构造简单,易于操作,精度和可靠性较高,为研究膝关节动态生物力学特性,以及辅助膝关节患者术后恢复训练等提供了一种重要的工具。     

基于MI-BCI的上肢在线运动康复原型系统

目的为实现单侧肢体运动想象与实际运动康复的身体部位及运动模式的一致化,进一步改善康复效果,本文设计了一种基于MI-BCI的上肢在线运动功能康复原型系统。方法该系统主要包括以g.MOBIlab脑电仪为核心的运动想象脑电信号(motor imagery electroencephalogram,MI-EEG)实时采集模块、在线处理模块及机械手臂控制模块等几部分。利用MATLAB和C语言混合编程及多线程技术完成对MI-EEG的实时采集、眼电伪迹去除、特征提取与分类,基于ARM9的S3C2440A微处理器设计机械手臂控制系统,控制模块与PC机间采用基于请求响应模式的通信协议,用手臂伸/屈MI-EEG的分类结果实现对机械手臂伸/屈同运动模式的实时控制。结果对5名受试者进行实际测试,对手臂伸/屈MI-EEG的平均识别率为76.75%,验证了系统的实用性。结论本系统具有良好的自适应性和实时性,为研制出更加自然、可临床应用的上肢运动康复系统奠定了基础。     

记忆合金三维内固定系统治疗髋臼骨折的生物力学研究

目的阐明按髋臼解剖学特点与镍钛合金的特性而设计的髋臼三维记忆内固定系统(acetabulartridimentionalmemoryalloyfixationsystem,ATMS)应用于髋臼骨折治疗的生物力学基础。方法从稳定性及头臼对应解剖与应力分布两个方面进行研究。6具成人新鲜骨盆股骨标本左右侧两两对应分为实验组与对照组,造成髋臼骨折模型后,实验组与对照组将骨折块复位,直视下分别用ATMS及重建钢板与螺钉紧密固定。制作可多向调节的万能旋转加载夹具,按前屈、后伸、直立三种状态从100N至500N进行加载,比较两组在经度及纬度方向的位移,分析髋臼骨折ATMS固定的稳定性;在直立位状态加载至500N,利用压敏片计算髋关节在前屈、后伸、直立三种状态下两组头臼接触面积及接触应力,分析髋臼骨折ATMS固定后头臼之间的解剖关系与应力分布状态。结果实验组与对照组在不同载荷、不同髋关节状态下测得的数据无显著的统计学差异。结论ATMS应用于髋臼骨折固定具有良好的稳定性、头臼对应解剖关系与应力分布状态。     

Gaze direction effects on perceptions of upper limb kinesthetic coordinate system axes

The effects of varying gaze direction on perceptions of the upper limb kinesthetic coordinate system axes and of the median plane location were studied in nine subjects with no history of neuromuscular disorders. In two experiments, six subjects aligned the unseen forearm to the trunk-fixed anterior-posterior (a/p) axis and earth-fixed vertical while gazing at different visual targets using either head or eye motion to vary gaze direction in different conditions. Effects of support of the upper limb on perceptual errors were also tested in different conditions. Absolute constant errors and variable errors associated with forearm alignment to the trunk-fixed a/p axis and earth-fixed vertical were similar for different gaze directions whether the head or eyes were moved to control gaze direction. Such errors were decreased by support of the upper limb when aligning to the vertical but not when aligning to the a/p axis. Regression analysis showed that single trial errors in individual subjects were poorly correlated with gaze direction, but showed a dependence on shoulder angles for alignment to both axes. Thus, changes in position of the head and eyes do not influence perceptions of upper limb kinesthetic coordinate system axes. However, dependence of the errors on arm configuration suggests that such perceptions are generated from sensations of shoulder and elbow joint angle information. In a third experiment, perceptions of median plane location were tested by instructing four subjects to place the unseen right index fingertip directly in front of the sternum either by motion of the straight arm at the shoulder or by elbow flexion/extension with shoulder angle varied. Gaze angles were varied to the right and left by 0.5 radians to determine effects of gaze direction on such perceptions. These tasks were also carried out with subjects blind-folded and head orientation varied to test for effects of head orientation on perceptions of median plane location. Constant and variable errors for fingertip placement relative to the sternum were not affected by variations in gaze direction or head orientation. Thus, the perceived position of the trunk-fixed median plane is not altered by varying gaze direction. The implications of these results for mechanisms underlying kinesthetic perceptions and their potential roles in programming of upper limb movements to visual targets are discussed.     

基于表面肌电信号和动作捕捉的上肢运动疲劳分析EI北大核心CSCD

目前,上肢运动的疲劳状态监测,一般单纯依赖表面肌电信号(sEMG)对疲劳进行识别和分类,导致结果不稳定,存在一定局限。为此,本文将sEMG信号识别与动作捕捉技术引入到疲劳状态监测过程中,提出了一种融合改进的肌电疲劳阈值算法与生物力学分析的疲劳分析方法。本研究通过右上肢负载屈肘试验,同步采集肱二头肌sEMG信号与上肢动作捕捉数据,并同时运用柏格(Borg)疲劳度主观自觉量表记录受试者疲劳感受。然后,将融合改进的肌电疲劳阈值算法和生物力学分析的疲劳分析方法与平均功率频率(MPF)、谱矩比(SMR)、模糊近似熵(fApEn)、Lempel-Ziv复杂度(LZC)四种单一评价指标疲劳评价方法的试验结果进行对比。试验结果表明,本文方法对总体疲劳状态识别率结果达到98.6%,对轻松、过渡、疲劳三种状态的识别率分别达到97%、100%、99%,较其他方法更有优势。本文研究结果证明,本文方法在上肢运动过程中能够有效预防过度训练引起的二次损伤,对于疲劳监护具有重要意义。     

An FNS-based system for generating upper limb function in the C4 quadriplegic

A system is presented for generation of upper limb function in the totally paralysed arms of high level spinal cord lesion subjects. The stimulation part of the system is voice operated, computer controlled, and uses high-resolution surface stimulation to generate arm and hand movements. Splinting, suspension, and voluntary upper trunk and shoulder girdle movements complement the stimulationgenerated movements. Eating, drinking and writing have been achieved by two C4 quadriplegics using the system.     

功能性游离肌肉移植重建部分上肢功能的临床应用

目的　探讨应用3种功能性游离肌肉移植重建部分上肢功能手术的疗效,结合相关解剖基础分享临床经验。 方法　2010年1月至2018年12月,应用功能性游离股薄肌、背阔肌、胸小肌移植重建上肢功能手术治疗患者39例,包括重建屈肘和屈指功能6例,屈指功能11例,拇对掌功能22例。根据肢体情况选择不同的动力神经和供血血管,术中调节移植肌肉于最佳肌张力水平,重建移植肌肉的神经和血运。 结果　功能性游离肌肉完全成活37例,重建的上肢功能恢复良好,优、良率达94.8%;重建功能未恢复者2例,其中1例出现移植肌肉和皮瓣部分坏死。 结论　应用功能性游离股薄肌、背阔肌和胸小肌移植重建上肢功能手术效果满意,是治疗各种原因导致的上肢肌肉缺损及严重肢体障碍的有效方法。     

Physiological tremor of the upper limb segments

The acceleration signal produced by physiological tremor from four different upper limb segments (the finger, hand, forearm and upper limb) was measured by an acceleration sensor during holding posture and was analyzed by power spectrum analysis. Two prominent peaks appeared in the power spectrum, suggesting that the tremor in the four different limb segments was composed of two frequency components. The frequency of one peak at 8–12 Hz did not change between the different limb segments, while the frequency of the other peak decreased with the increase in the mass of the limb segment. A model with two reflex pathways was developed for the tremor in the four limb segments. The model includes two reflex pathways, a spinal pathway and a supraspinal pathway. The theoretical values of the frequency and the amplitude of the tremor predicted by the model were in good agreement with the experimental results. Analysis of the model revealed that one of the two frequency components of the tremor was of spinal origin and was dependent upon the mass of the limb segment, and the second was of supraspinal origin, corresponding to the frequency at 8–12 Hz. In the normal subject, it is possible that the tremor could be used to evaluate the change in neuromuscular function produced by prolonged work involving just part of a limb segments (e.g., typing). It may also be used to evaluate the neuromuscular function of patients suffering from neurological diseases such as muscular dystrophy and Parkinson's disease. Electronic Publication