下肢骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)建模和典型運(yùn)動(dòng)中若干力學(xué)問題研究.pdf

1、人體是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，個(gè)體差異性、多樣性以及活體實(shí)驗(yàn)的局限性，使得開展人體生物特性的研究工作十分困難。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人民生活水平的不斷提高以及醫(yī)療條件的不斷改善，人們提高自身生命質(zhì)量的要求更加強(qiáng)烈。人體生物力學(xué)研究正是從力學(xué)的角度來研究人體的生物學(xué)相關(guān)理論和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，從而為臨床醫(yī)學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供有力的理論指導(dǎo)和幫助。
　　 此論文基于本研究所承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“中國力學(xué)虛擬人”以及兩個(gè)與上海市

2、第六人民醫(yī)院的醫(yī)工結(jié)合橫向合作項(xiàng)目，建立了人體下肢骨肌系統(tǒng)三維幾何模型和力學(xué)模型；對(duì)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)這一典型行為進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)參與運(yùn)動(dòng)的下肢相關(guān)肌肉的肌肉力進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，并以所求得的肌肉力和關(guān)節(jié)力為載荷條件，采用有限元方法分析了步態(tài)過程中下肢骨骼的應(yīng)力分布規(guī)律；此外，對(duì)除步態(tài)外的日常典型行為動(dòng)作下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了測(cè)量分析與研究；同時(shí)結(jié)合建立的模型和運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果針對(duì)人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中兩個(gè)重要臨床問題開展了深入研究：一是人工髖關(guān)節(jié)

3、脫位與理論活動(dòng)度的分析研究、二為不同股骨柄的初期穩(wěn)定性比較研究。具體內(nèi)容包括：
　　 1)利用冷凍層切圖片數(shù)據(jù)通過醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)和逆向工程法建立了下肢骨骼的三維幾何模型，并在其基礎(chǔ)上確定了下肢肌肉的起止點(diǎn)并建立了肌肉作用力線的直線模型；同時(shí)基于幾何模型建立了下肢骨肌系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型，通過對(duì)比模型仿真肌肉力臂值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量力臂值對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 2)利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和足底測(cè)力平臺(tái)對(duì)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量分

4、析，并利用計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)結(jié)果，結(jié)合建立的骨肌系統(tǒng)模型進(jìn)行了肌肉力的預(yù)測(cè)，通過測(cè)量表面信號(hào)對(duì)肌肉力的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；
　　 3)在下肢骨骼三維幾何模型的基礎(chǔ)上建立了下肢骨骼三維有限元網(wǎng)格模型，并將預(yù)測(cè)出的關(guān)節(jié)力和肌肉力結(jié)果作為有限元分析模型所施加的載荷條件，對(duì)步態(tài)時(shí)下肢骨骼的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。
　　 4)對(duì)人體除步態(tài)以外的一些典型日常行為動(dòng)作(上樓梯、下樓梯、跑、蹲、跪)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)捕捉和分析，得到了各種運(yùn)動(dòng)中下肢

5、髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，為了解的人體運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)的不斷完善提供科學(xué)有效的依據(jù)。
　　 5)臨床研究問題之一：人工髖關(guān)節(jié)理論活動(dòng)度分析研究。建立了一個(gè)模塊化的分析工具用以計(jì)算人工髖關(guān)節(jié)各設(shè)計(jì)參數(shù)和安裝參數(shù)下髖關(guān)節(jié)六個(gè)方向的活動(dòng)度；結(jié)合人體日常行為動(dòng)作運(yùn)動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不同參數(shù)下人工髖關(guān)節(jié)安全區(qū)域的分析。
　　 6)臨床研究問題之二：不同人工股骨柄的生物力學(xué)分析。利用建立的股骨模型通過有限元方法分析和比較了不同人工