典型携运行步态下卫勤背囊运动捕捉测量实验研究

卫勤分队系列背囊是卫勤行动及灾害救援中的一种重要装备,人一囊背负系统的设计是背囊研制中的重要部分,决定了背囊的卫勤作业效能,对卫勤救治及灾害救援效率具有重要影响。因此,对典型携运行速度下卫勤背囊进行背负者步态运动捕捉测量实验研究具有重要意义,是进行背囊人一囊背负系统优化设计的前提,也是进一步分析背囊对背负者骨骼肌肉运动系统产生的深层次生物力学影响的基础。针对这一问题,对正常行军和急行军两种情况下背负背囊时的人体骨骼肌肉系统的运动进行了捕捉测量实验,获取了正常行军与急行军时的步态运动学数据、骨骼肌肉系统动力学数据,为背负系统的人因学优化设计提供了科学依据。     

基于经筋理论的脑卒中后下肢功能障碍生物力学研究进展

经筋理论是传统中医理论的重要组成部分,多用于指导经筋病的治疗。下肢功能障碍是脑卒中常见的后遗症,属经筋病的范畴。卒中后下肢生物力学失衡会导致错误的力学对线以致患者偏离正常的步态模式,对其生物力学机制开展研究有利于指导下肢康复治疗。笔者基于经筋理论,从下肢生物力学角度对脑卒中后偏瘫患者下肢运动功能障碍进行分析,分别从运动学、动力学以及肌电学机制进行综述,以期为经筋理论指导患者的康复治疗提供有效依据及参考方向。     

现实与虚拟互动技术及其在膝关节稳定性分析中的应用

目的运用现实与虚拟互动的骨科生物力学方法，对正常人体膝关节进行三维重建、图像分割，验证该法对于关节内外结构进行生物力学分析的可行性：方法去除膝关节周围的肌肉、脂肪和结缔组织等软组织，保留完整的关节囊，用聚甲基丙烯酸甲脂将股骨下段和胫骨上段分别包埋。在膝关节标本上打上不共线的“立方体”形标志物，将实际膝关节、股骨、胫腓骨进行配准，利用三维扫描技术分析标志点空间位置的变化，对三维网像进行分析，并通过三维重建软件分析验证重建模型的有效性，结果建立了膝关节的三维空间模型结构，通过该模型可直接观察到膝关节内外结构的运动信息．能够进行力学分析和测量．分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论该方法适用于重建人体膝关节的三维空间几何模型，能够让人们直观地了解膝关节内部的运动信息，可直接进行结构力学仿真分析．模拟膝关节在各种负荷条件下各部位的应力、应变分布，为关节生物力学研究提供了一种简捷高效的实验方法。     

骨力学理论在骨折诊治中的实际意义

骨伤科做为研究人体运动系统疾病的学科,它与生物力学紧密相关。骨生物力学(以下简称骨力学)为生物力学的分支,在六十年代后期开始逐渐发展起来。骨力学是以骨骼为对象,研究骨的机械运动规律的科学。它通过对骨和骨骼系统的力学性质的剖析和研究,将不断揭示骨骼生长、发育、畸变、衰退等一系列进程中与力作用之     

膝骨关节炎患者的三维运动解析

背景　膝骨关节炎（KOA）患者发生膝关节变形、活动受限、步态异常等改变,预示KOA是与运动学、动力学等生物力学因素关系密切的一种疾病。而目前临床上缺乏对这些运动学、动力学指标的客观定量评定指标。目的　应用VICON三维运动捕捉系统解析KOA患者的病情,为临床医生治疗、康复计划的制定和实施提供新的重要参考依据。方法　2010年10月-2017年6月,选择上海交通大学医学院附属瑞金医院门诊及住院的双KOA患者10例作为KOA组,另外招募无膝关节疼痛的健康中老年人10例作为对照组。采用英国VICON三维运动捕捉系统对两组受试者进行行走测试,并分析受试者的步行情况和膝关节的生物力学（运动学、动力学）特征。结果　与正常人比较,KOA患者存在明显的步态和生物力学特征：步频、跛行指数、步长、步幅、步速均缩短,双足支撑期、单足支撑期、一步时间、步行周期均延长（P<0.05）;膝关节屈曲角峰值,冠状面最初角度,矢状面、冠状面、水平面膝关节最大活动范围均减小（P<0.05）;膝关节角速度、膝关节角加速度峰值和平均值均减小（P<0.05）;膝关节伸展力矩峰值减小（P<0.05）;Y轴和Z轴方向地板反作用力峰值减小（P<0.05）。结论　KOA患者关节内及其周围生物力学环境发生了明显变化,同时下肢运动出现了异常。而采用VICON运动捕捉系统对KOA患者和正常人进行三维步态分析,有助于更好地了解膝关节运动学和动力学等指标,为KOA诊断、治疗及研究提供重要的参考依据。     

基于人机系统运动仿真的数字人步态规划方法

穿戴下肢外骨骼的数字人在虚拟人机系统运动仿真中应具有稳定自然的步态,因此需要研究步态规划方法。分别应用动力学模型方法和被动动力学方法进行了数字人的步态规划,并基于Matlab/Adams完成了协同仿真试验。试验结果表明,在人机耦合系统运动仿真中,两种步态规划方法都具有可行性,前者具有较高的步态稳定性,而后者具有更高效和自然的步态特点。     

现实与虚拟互动技术及其在膝关节稳定性分析中的应用

目的运用现实与虚拟互动的骨科生物力学方法,对正常人体膝关节进行三维重建、图像分割,验证该法对于关节内外结构进行生物力学分析的可行性。方法去除膝关节周围的肌肉、脂肪和结缔组织等软组织,保留完整的关节囊,用聚甲基丙烯酸甲脂将股骨下段和胫骨上段分别包埋。在膝关节标本上打上不共线的“立方体”形标志物,将实际膝关节、股骨、胫腓骨进行配准,利用三维扫描技术分析标志点空间位置的变化,对三维图像进行分析,并通过三维重建软件分析验证重建模型的有效性。结果建立了膝关节的三维空间模型结构,通过该模型可直接观察到膝关节内外结构的运动信息,能够进行力学分析和测量,分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论该方法适用于重建人体膝关节的三维空间几何模型,能够让人们直观地了解膝关节内部的运动信息,可直接进行结构力学仿真分析,模拟膝关节在各种负荷条件下各部位的应力、应变分布,为关节生物力学研究提供了一种简捷高效的实验方法。     

基于冰冻切片的人体骨盆有限元模型的建立与初步验证

 目的 建立基于冰冻切片的人体骨盆有限元模型,以用于研究骨盆非线性生物力学特性。方法 采用“中国数字虚拟人”第1例男性冰冻切片数据,运用切片图像处理软件CryoSegmentation提取出骨轮廓线,分别建立骨皮质、骨松质线模型和有限元模型。骨与软骨选用SOLID92四面体十节点单元,韧带采用2D索单元LINK10,分别赋予材料属性。结果 按骶髂关节为融合状态进行模型计算,应力主要集中部位是椎骨前面、骶髂关节面及周边、髂骨弓、坐骨大切迹、髋臼侧缘以及股骨颈;骶髂关节面应力主要集中在耳状面周缘,最大位移发生在L3;融合状态下各韧带所承拉力都较小。结论 基于冰冻切片的建模方法可获取更为精确的人体解剖结构信息,包含软组织条件的骨盆有限元模型的建立是基于CT和MRI有限元建模方法的重要补充。     

基于"中国数字人"切片建立包含牙列的下颌骨三维模型

目的 利用虚拟人数据资料借助医学三维重建软件快速重建包含下颌牙列的人体下颌骨三维模型,为数字化虚拟人体作出技术探讨.方法 选择合适的尸体标本,经固定、动脉灌注、包埋、数据采集后获得虚拟人数据集,按照不同数据格式保存虚拟人切片图像数据.为今后不同规模的人体解剖结构重建目的 作准备.取虚拟人切片数据图像中下颌骨切片部分图像共计280张经二维图像处理软件去噪、描边后导入专用医学三维重建软件进行下颌骨的三维重建,生成的下颌骨三维模型经表面光滑处理后进行渲染.结果 利用虚拟人的数据得到了包含牙列的下颌骨精细的三维模型,在三维方向上真实地再现了下颌骨的解剖形态.结论 利用中国数字化可视人体图像能建立准确的下颌骨三维模型.     

髋关节三维有限元模型的构建及关节囊修复预后分析

目的 构建髋关节置换的三维有限元模型,模拟关节囊修复和术后康复活动,比较两种关节囊修复方法的生物力学差异。方法 以骨-囊-骨方式采集6个冷冻髋关节的后关节囊韧带复合体标本,用万能材料试验机测定标本的载荷-应变曲线等力学特性。采集一名志愿者骨盆及下肢薄层CT扫描数据导入Mimics软件,构建髋关节的三维模型,在CATIA软件中建立臼杯、股骨假体、关节囊的三维数字模型导入Mimics,模拟行全髋关节置换手术（THA）,装配后数据导入ABAQUS软件中,根据解剖研究、力学结果、本构方程设定关节囊属性,测量、比较屈髋过程中,解剖和传统修复关节囊的生物力学差别。结果 关节囊韧带复合体标本测试平均极限拉伸应变（39.21±5.23）%、极限拉伸强度（1.65±0.38）MPa。有限元模型应力-应变曲线与标本力学测试的结果相似,符合关节囊的力学特征,屈髋活动时解剖修复的关节囊应力分布均匀,均在极限拉伸强度范围内,传统修复关节囊应力分布不均,屈髋90°时下部关节囊的拉伸应力达到关节囊标本的拉伸强度极限。结论 有限元模型可用于动态、量化、可视化分析髋关节囊应力分布,解剖修复比传统修复更符合生物力学特点。     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

人体髋骨的三维有限元模型快速重建方法

目的 实现人体髋骨三维有限元模型的快速重建，使其能应用于生物力学分析，为临床医生研究髋骨的骨折和分析髋骨的生物力学特性提供帮助。方法 通过CT扫描获得髋骨的完整的三维体数据，用体素的方法直接建立有限元单元，并根据像素的灰度值匹配单元的属性。结果 完成了髋骨三维有限元模型的重建，并且根据骨密度对模型中骨的弹性模量进行了精确设定。结论 利用本文的方法能自动、快速地重建髋骨的三维有限元模型，得到的模型能应用于生物力学分析。     

具有解剖基下颌的人头模型撞击损伤的有限元研究

目的 建立具有解剖基下颌的人体头部有限元模型。探讨此模型以不同速度正面撞击的响应过程,研究其损伤的生物力学机理。方法 根据人体下颌骨的螺旋CT扫描图像,利用三维重建、图像处理和网格划分技术,建立人体下颌骨的三维有限元模型,通过关节和经过修改的混合Ⅲ型假人头部模型相连接,建立活体下颌骨与混合Ⅲ型假人头结合的人体头部有限元模型。对下颌骨进行初步边界约束,模拟计算此模型以3．6m/s和10m/s速度撞击正前方刚体。结果 下颌骨以3．6m/s速度撞击正前方刚体,下颌骨会以颞下颌关节为轴向后轻微滑动,因而应力上升过程中有一回落,此处为滑动力。应力沿下颌骨外斜线向升支和颞下颌关节传递,髁突及髁突颈部应力有明显集中;下颌骨以10m/s速度撞击时,滑动力不明显,于第4～5ms时应力回弹、反射明显导致应力叠加。活体下颌骨与混合Ⅲ型假人头结合,可对下颌骨进行边界约束。在喙突(颞肌)边界约束条件下,喙突应力亦有一定改变。结论 (1)髁突及髁突颈部相对于下颌骨体其骨结构的横截面积陡然减小,骨结构的横截面积陡然减小的区域出现应力集中;(2)撞击过程中下颌骨以髁突为轴向后轻微滑动,造成此处较强的应力有集中;(3)应力回弹、反射导致应力叠加,这是下颌骨撞击损伤的生物力学机制之一。与临床下颌骨正面撞击所造成的骨折部位完全吻合。     

新型外固定支架系统-胫骨骨折模型的建立与三维有限元分析

目的建立新型外固定支架系统在胫骨骨折模型上的有限元模型,分析评价有限元模型建立的可行性及力学分布特点,为进一步的材料结构优化及临床应用提供理论支持。方法利用Mimics17.0 软件将新鲜尸体的胫骨CT 数据导入并建立胫骨模型,用Hypermesh 对模型进行网格划分并导入有限元分析软件ABAQUS6.13,施加轴向载荷后观察Von-Mises 应力分布和骨折断端位移情况,通过与生物力学结果对比评价其生物力学特点。结果成功创建了装配体有限元模型,生成548 101 个体单元,节点548 101 个。最大轴向载荷下骨折断端最大位移为1.16 mm,最大Von mises 应力分布点为骨针接触面。结论有限元模型的建立及分析方法能较好地反映该新型外固定支架胫骨骨折系统的生物力学分布情况,可为进一步临床应用提供理论基础。     

胫骨模型对膝关节有限元分析结果影响的探讨

目的：通过有限元法对膝关节进行力学仿真,探讨胫骨模型对膝关节生物力学行为的影响。方法：应用MimiCS建立膝关节三维实体模型并对骨骼赋予不同的材料属性;使用Hypermesh建立膝关节三维网格模型,同时建立了不同胫骨长度的膝关节三维模型;在Abaqus中设置边界条件和软组织材料属性,施加载荷进行膝关节力学仿真。结果：通过有限元分析获得了膝关节主要软组织的应力和相互接触面积,得到胫骨上的Mises应力分布。结论：膝关节骨骼材料属性以及胫骨长度对膝关节软组织的力学行为基本没有影响,可在实际的对膝关节软组织的有限元分析中将骨性结构定义为刚体;胫骨上的Mises应力随骨骼材料属性和长度有明显的变化,在针对骨骼的有限元分析中需要建立完整的骨骼结构以及将骨骼划分为至少10种材料属性。     

基于DICOM数据建立人体颈部有限元模型

目的建立人体颈部有限元模型,用于生物力学研究。方法对标准成年男性进行多层螺旋CT扫描,应用DICOM数据和Mimics软件进行三维重建,在TrueGrid里完成网格划分,结合有限元分析软件ANSYS构建完整颈部模型并在LS-DYNA下进行动力学检验计算。结果该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎、椎间盘、韧带和肌肉等组织,共由14758个单元构成,仿真结果与国外实验数据对比基本相符。结论此方法建立的颈部有限元模型能较好地模拟生物力学实验,可用于今后动力学响应分析。     

基于中国数字人CT数据重建上颈椎运动节段有限元模型

为建立精确的数字力学人上颈椎运动节段模型,采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise公司授权试用的MIMICS13．1医学图像重建软件进行三维有限元建模,并将其结果导入有限元系统进行处理,建立起形态学高度拟真的上颈椎运动节段模型。实践证明,数字力学人模型可以进行有限元计算,其精度能更好地满足数字化医学对计算机模拟论证的要求。     

腕关节有限元骨性建模及力学分析

目的：探讨基于CT影像数据的腕关节有限元模型构建、受力分析,以期为开展腕关节生物力学有限元分析的研究提供参考。方法：选取1名29岁成年健康男性志愿者,对其右尺桡骨远端到近端指骨进行CT扫描,将所得图像导入Mimics 10.01中,建立腕关节三维有限元模型,将赋予材料属性的模型导入ANSYS10.0中,模拟体外生物力学试验,观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。结果：成功建立了包括桡、尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,计算并获得了掌骨受轴向压力下各腕骨的应力分布图。结论：在目前的个人计算机平台上依据CT影像资料,利用医学图像处理软件和三维重建软件可以准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型,并可根据模型计算轴向压力下的应力分布,为腕部有限元分析及整个虚拟手的构建提供了技术支持。     

Imageware逆向工程软件在固定桥建模中的应用

目的借助Imageware逆向工程软件建立仿真的天然牙支持式固定桥三维实体模型,为后续模型加载的生物力学研究打下基础。方法CT扫描一位志愿者下颌骨,通过Mimics软件分离出牙齿和颌骨,生成点云数据,导入Imageware逆向工程软件中生成三维曲面模型,在ANSYS10．0有限元软件中建立三维有限元模型。结果本实验重建了志愿者下颌部分颌骨（皮质骨和松质骨）、牙齿及其周围牙周膜的三维实体模型,并在此模型基础上根据基牙预备及烤瓷冠桥的要求,构建了下颌后牙区三单位的烤瓷固定桥三维实体模型。结论Mimics软件结合逆向工程软件的使用,可以建立比较逼真的三维实体模型,而且操作简便,可以在烤瓷冠桥的构建中缩短建模时间。     

摇椅弓角度和弧形深度对牙根和牙周组织应力分布的影响

目的：通过三维有限元法分析摇椅弓角度和弧形深度的变化对前后牙根和牙周组织VonMises综合应力分布的影响．方法：采用ANSYS有限元软件建立下颌牙列、牙周支持组织以及不同角度、不同弧形深度的0．018×0．025英寸不锈钢下颌标准弓形摇椅弓的三维有限元模型,将摇椅弓变形前后的位移差作为荷载施加于有限元模型,通过多次迭代使其满足变形协调条件,计算出牙根和牙周组织的应力分布状况．结果：在摇椅弓作用下牙根受到的综合应力最大（0．18—10．03kPa）,牙槽骨次之（0．05—1．13kPa）,牙周膜最小（0．01～0．10kPa）,且综合应力随着摇椅弓角度和弧形深度的增加而增加,综合应力集中分布于牙根、牙槽骨和牙周膜的颈部和根尖部．结论：摇椅弓角度和弧形深度的变化对牙周组织应力产生显著影响．