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矫形鞋垫对扁平足患者下肢影响的生物力学分析

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太原理工大学学报 2024年第2期55卷 390-398页

作者：徐强郭媛张绪树银龙胡彦君文云鹏太原理工大学生物医学工程学院山西晋中030600 山西省人民医院太原030012 山西省华晋骨科医院太原030400

【目的】矫形鞋垫是非手术矫正扁平足的有效手段,但对于其康复治疗机制目前还未有统一的观点,以往的研究大多集中在对足底压力的改善。【方法】首先利用三维运动捕捉系统、测力台和足部测试系统分别对受试者进行测试,获取扁平足患者自... 详细信息

【目的】矫形鞋垫是非手术矫正扁平足的有效手段,但对于其康复治疗机制目前还未有统一的观点,以往的研究大多集中在对足底压力的改善。【方法】首先利用三维运动捕捉系统、测力台和足部测试系统分别对受试者进行测试,获取扁平足患者自然行走时下肢的运动学和动力学数据,然后使用Anybody软件建立受试者的肌骨模型并进行逆向动力学分析,对比分析扁平足患者使用矫形鞋垫前、后自然行走时下肢关节角度、地面反作用力、关节力矩和肌肉激活度等参数的变化。【结果】结果显示:扁平足患者穿戴矫形鞋垫后,足底压力分布有明显改善,步行周期内踝关节运动角度变化明显,支撑期内垂直地面和侧向地面反作用力峰值均变小,关节力矩和下肢主要肌肉的激活度均有不同程度的改变。【结论】可为临床扁平足患者的康复治疗提供一定参考。

关键词：扁平足矫形鞋垫步态分析运动学逆向动力学

膝关节活动单髁假体衬垫形状及安装位置对置换后膝关节应力分布影响的有限元分析

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生物医学工程学杂志 2022年第4期39卷 660-671页

作者：赵鸣昕郭媛王长江张绪树纪斌平张凯何栋栋太原理工大学生物医学工程学院山西晋中030600 英国萨塞克斯大学布莱顿BN19RH 山西华晋骨科医院太原030400

在单髁置换手术中,市面上可供选择的单髁假体种类较多,常见的衬垫与股骨假体接触面一致性与否,会对置换后的膝关节应力分布产生不同的影响。单髁置换术后胫骨平台内侧断裂以及衬垫脱位是常见的两种失效形式,原因之一是单髁假体在膝关节... 详细信息

在单髁置换手术中,市面上可供选择的单髁假体种类较多,常见的衬垫与股骨假体接触面一致性与否,会对置换后的膝关节应力分布产生不同的影响。单髁置换术后胫骨平台内侧断裂以及衬垫脱位是常见的两种失效形式,原因之一是单髁假体在膝关节中的安装位置不匹配,可能导致失效。故本文主要研究衬垫与股骨假体接触面的形状及单髁假体的安装位置对置换后膝关节应力分布的影响。首先,本文建立了正常人体膝关节有限元模型,通过应力和变形两种方式验证了该模型的有效性。其次,建立了两种不同形状衬垫膝关节假体模型(A型和B型),模拟分析在单腿站立情况下,两种衬垫5种内外翻安装位置的膝关节应力分布情况。结果表明,在1 kN轴向载荷下,衬垫峰值接触压力、前交叉韧带峰值等效应力、外侧半月板峰值接触压力,这3种参数A型均比B型小,5种内外翻安装位置下A型在内翻3°时衬垫变形、衬垫峰值接触压力、胫骨峰值等效应力、前交叉韧带峰值等效应力均最小。单髁置换时,建议假体内翻6°以内,选择A型或B型衬垫,需结合患者的其他因素综合分析选择。综上所述,本文研究结果或可降低单髁置换后衬垫脱位、胫骨内侧平台断裂的风险,以期为单髁假体设计提供生物力学参考。

关键词：单髁置换置换位置衬垫假体有限元分析

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基于表面肌电信号的手势识别与分析

医用生物力学 2022年第5期37卷 818-825页

作者：张瑞轩张绪树郭媛何栋栋王瑞雪太原理工大学生物医学工程学院太原030024

目的研究利用前臂及手部表面肌电(surface electromyography,sEMG)信号进行手势识别的方法,以及不同手势下拇指、食指的关节角度,探讨sEMG信号控制外骨骼手的可行性。方法采集20名健康右利手受试者右侧前臂及手部6块肌肉sEMG信号。提取s... 详细信息

目的研究利用前臂及手部表面肌电(surface electromyography,sEMG)信号进行手势识别的方法,以及不同手势下拇指、食指的关节角度,探讨sEMG信号控制外骨骼手的可行性。方法采集20名健康右利手受试者右侧前臂及手部6块肌肉sEMG信号。提取sEMG信号的时域特征值,对比人工神经网络(artificial neural network,ANN)、K⁃近邻(K⁃nearest neighbor,KNN)、决策树(decision tree,DT)、随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)等多种分类器对6种日常手势进行识别。同时,采用Vicon摄像机跟踪系统捕捉右手拇指、食指运动轨迹,计算拇指、食指关节角度。结果利用前臂及手部sEMG信号可以实现6种手势的模式识别,其中ANN分类器的分类预测效果最好,测试集预测精度可达97.9%,Kappa系数可达0.975。同时,计算得到不同手势下拇指、食指的关节角度,并进行不同手势下关节角度相关性分析。结论利用前臂及手部sEMG信号进行手势识别,能够实现具有几乎完全一致的分类预测结果。研究结果证明了sEMG信号手势识别应用于外骨骼手控制的可行性。

关键词：表面肌电信号手势识别人工神经网络算法自适应增强算法运动捕捉

矫形鞋垫对扁平足患者下肢影响的生物力学分析

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太原理工大学学报 2023年

作者：徐强郭媛张绪树银龙胡彦君文云鹏山西省华晋骨科医院太原理工大学生物医学工程学院山西省人民医院

矫形鞋垫是非手术矫正扁平足的有效手段，但对于其康复治疗机制目前还未有统一的观点，以往的研究大多集中在对足底压力的改善。首先利用三维运动捕捉系统、测力台和足部测试系统分别对受试者进行测试，获取扁平足患者自然行走时下肢的... 详细信息

矫形鞋垫是非手术矫正扁平足的有效手段，但对于其康复治疗机制目前还未有统一的观点，以往的研究大多集中在对足底压力的改善。首先利用三维运动捕捉系统、测力台和足部测试系统分别对受试者进行测试，获取扁平足患者自然行走时下肢的运动学和动力学数据，然后使用Anybody软件建立受试者的肌骨模型进行逆向动力学分析，对比分析扁平足患者使用矫形鞋垫前、后自然行走时下肢关节角度、地面反作用力、关节力矩和肌肉激活度等参数的变化。结果显示：扁平足患者穿戴矫形鞋垫后，足底压力分布有明显改善，步行周期内踝关节运动角度变化明显，支撑期内垂直地面和侧向地面反作用力峰值均变小，关节力矩和下肢主要肌肉的激活度均有不同程度的改变。本研究可为临床扁平足患者的康复治疗提供一定参考。

关键词：扁平足矫形鞋垫步态分析运动学逆向动力学

单手操作手机时常见拇指动作关节角度与接触力测量和分析

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医用生物力学 2023年第4期38卷 797-803页

作者：王瑞雪张绪树郭媛何栋栋刘晓杰张明太原理工大学生物医学工程学院太原030024 香港理工大学生物医学工程系中国香港100872

目的研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学... 详细信息

目的研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学生志愿者单手操作手机时拇指关节角度和指尖接触力,并对人体参数、关节角度和接触力进行统计学多因素相关性分析。结果通过仪器测量得到单手手机操作时上滑、顺时针转、右点、左点、左滑等动作的关节角度与接触力;统计分析表明,手长、拇指总长对各关节角度均值和最大接触力有显著影响(P<0.05),且手长与掌指关节角度均值、最大接触力基本呈负相关。结论减小拇指运动幅度避免拇指过伸或过屈,或减少使用手机的频率,或减少操作手机的作用力,可以一定程度上减少拇指屈肌腱和腱鞘与骨纤维管道的摩擦力以及相互之间的挤压力,从而可以减少拇指狭窄性腱鞘炎的形成。

关键词：运动捕捉关节角度接触力拇指运动单手手机操作

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标枪出手初始参数的投掷成绩的关系研究

标枪出手初始参数的投掷成绩的关系研究

作者：张绪树太原理工大学

学位级别：硕士

本文首先对有关标枪投掷技术方面的文献进行了全面综述，从所得到的文献中了解到过去对标枪项目的研究主要体现在运动员本个人技术和技巧的分析研究、标枪自身空气动力学特性的研究、使用高速摄影技术对标枪投掷动作进行定性和定量的分... 详细信息

本文首先对有关标枪投掷技术方面的文献进行了全面综述，从所得到的文献中了解到过去对标枪项目的研究主要体现在运动员本个人技术和技巧的分析研究、标枪自身空气动力学特性的研究、使用高速摄影技术对标枪投掷动作进行定性和定量的分析以及使用电子计算机对标枪运动进行数值仿真等内容。然后，使用刚体动力学方法推导了标枪的动力学运动方程，并根据运动特征，提出了标枪作为刚体运动时的初始出手参数，包括：出手高度，出手速度，出手角度，标枪相对于空气流速度的攻角，标枪自身纵轴和地面的倾角，以及标枪在自身连体坐标系相对于惯性坐标系的方位角等参数。其次，使用常规方法对现有的皇冠牌标枪进行了尺寸测量，获得了标枪的外形轮廓数据，同时也从标枪上取得了一些试件，测量了标枪所用材料的密度和弹性模量。再次，依据所测量的标枪尺寸数据，使用Femb前处理软件对标枪进行了有限元建模，并设置了材料和单元属性，添加载荷以及初始条件，使用LS-DYNA求解器对给定初始参数、在有阻和无阻情况下的标枪运动进行了计算机仿真。太原理工大学硕士学位论文仿真结果表明:（l）标枪的出手速度越大，标枪的水平投掷距离就越大，而且影响比较明显。32米砂的出手速度比26 米/秒时的投掷距离平均来说要多2米左右，而且当出手角度由小变大时，这样的差距还会变大。（2）在没有空气阻力作用时，在同一出手速度的情况下，随着出手角度的增加，标枪投掷的水平距离也会相应的增加，通常在45度时，水平的投掷距离达到最大值;但在有空气阻力作用的情况下，在水平距离达到最大值时的标枪出手角度一般不是45度，而且和标枪的出手速度有关。为了获得较好的投掷成绩，如果标枪的出手速度较大的话，那么标枪的出手角度可相应地降低;如果出手速度较小时，那么可适当增大标枪的出手角度。（3）在出手速度和出手角度相同且无攻角的情况下，没有空气阻力作用时，标枪的水平距离也会随着出手高度的增加而增加，几乎是每升高1 毫米，水平距离就增加约1毫米左右。但在有空气阻力作用的情况下，出手高度对标枪水平投掷距离的作用就较小。本文的所有计算都是在没有初始攻角的情况下进行的。这时空气对标枪的阻力是最小的。因为没有初始攻角，所以标枪俯仰力矩的作用从一开始就比较小，因此，有阻和无阻对标枪投掷距离的影响差别不是很大。

关键词：标枪刚体动力学计算机仿真有限元方法（FEM）空气动力学出手参数

操作鼠标时鼠标和腕部接触压力的TekScan测量

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医用生物力学 2017年第5期32卷 469-475页

作者：张绪树郭媛安美文张明太原理工大学力学学院太原030024 香港理工大学生物医学工程跨领域学部

目的研究不同鼠标操作时鼠标和腕部与桌面之间接触压力分布特征,探讨操作鼠标时桌面对鼠标和腕部的影响,获得导致手及腕部肌肉骨骼不适的生物力学依据。方法使用激光扫描仪和TekScan压力测量系统,测量不同鼠标操作时鼠标和腕部的接触面... 详细信息

目的研究不同鼠标操作时鼠标和腕部与桌面之间接触压力分布特征,探讨操作鼠标时桌面对鼠标和腕部的影响,获得导致手及腕部肌肉骨骼不适的生物力学依据。方法使用激光扫描仪和TekScan压力测量系统,测量不同鼠标操作时鼠标和腕部的接触面积和接触压力。结果测量得到了鼠标和腕部与桌面的接触压力、接触面积和接触力随时间的变化关系以及接触压力峰值。在单击左、右键和滚动中键时鼠标的接触压力峰值分别为62.87、33.83、74.66 kPa,而腕部为击键过程的最小值,分别为23.25、11.02、16.26 kPa。结论在操作鼠标过程中,由于大、小鱼际以及腕部的尺侧和桡侧区域一直受到持续的压力作用,重复持续的鼠标操作会导致腕管综合症等肌肉骨骼不适症的发生。

关键词：肌肉骨骼不适鼠标接触压力接触面积腕部

汽车后碰撞时人体头颈部的动力学响应及损伤分析

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医用生物力学 2020年第1期35卷 83-89页

作者：崔普东安美文张绪树郭媛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学生物医学工程学院太原030024 山西省材料强度与结构冲击重点实验室太原030024

目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的... 详细信息

目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的模型包括头部、8节椎骨(C1~T1)、6个椎间盘(包括纤维环、髓核和上下软骨终板)、小关节(包括软骨和关节囊韧带)、韧带、肌肉等结构,最后在有限元后处理软件中完成模型验证与后碰撞计算。结果分别对模型进行轴向冲击、前后屈伸和侧屈模拟并与实验数据对比,验证模型的有效性,并进行速度为20、40、60、80 km/h后碰撞计算。在20 km/h速度下,颈部无损伤出现,在40、60、80 km/h速度下,最早出现损伤的都是韧带。随着速度增加,颈部各组织受力不断增大。速度为80 km/h时,颈椎的密质骨、松质骨和纤维环最大应力分别为226.4、11.5、162.8 MPa,当韧带应变达到极限时,开始出现撕裂。结论所建头颈部有限元模型具有较高的生物仿真度和有效性,可用于交通事故中颈部损伤分析的研究,在一定程度上有助于颈椎损伤的诊断、治疗和预防。

关键词：有限元模型模型验证颈部损伤动力学响应后碰撞

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兔单椎轴向动态冲击的实验研究

医用生物力学 2020年第5期35卷 463-469页

作者：杜一铭张绪树郭媛徐凡丁盛文倩太原理工大学生物医学工程学院太原030024

目的通过对兔单椎进行动态冲击破坏试验,并与静态压缩实验进行对比,研究椎体轴向冲击的损伤机制。方法通过落锤动态冲击实验装置,利用示波器和高速摄影获得力传感器的电压波形图和椎体冲击的详细过程。结果胸、腰椎平均静态载荷分别为91... 详细信息

目的通过对兔单椎进行动态冲击破坏试验,并与静态压缩实验进行对比,研究椎体轴向冲击的损伤机制。方法通过落锤动态冲击实验装置,利用示波器和高速摄影获得力传感器的电压波形图和椎体冲击的详细过程。结果胸、腰椎平均静态载荷分别为910、947 N,平均动态载荷分别为1 196、1 026 N;胸、腰椎平均动荷系数分别为1.37和1.08。静载条件下,胸、腰椎平均等效应力为15.28、12.51 MPa;动载条件下,胸、腰椎平均等效应力20.03、13.56 MPa。动态冲击过程中,纵向、横向平均应变分别为-0.3和-0.005(压缩);动载条件下,椎骨的破坏能量从0 J一直增大到4.4 J。结论在动、静态实验条件下,同一椎体动态载荷大于静态载荷;胸椎平均动荷系数大于腰椎;胸椎应力大于腰椎;椎体受到轴向冲击力时纵向应变大于横向应变;椎体能量增长呈现先缓慢后快速的过程。研究结果可以为临床人脊柱椎体损伤的预防和康复提供指导意见。

关键词：单椎冲击应力应变动荷系数破坏能量