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基于有限元法人体肌肉生物力学建模及仿真

基于有限元法人体肌肉生物力学建模及仿真

作者：高希雪哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来虚拟手术成为数字医疗研究的重点，它在手术培训、诊断、制定手术计划等方面均有重要应用。虚拟手术系统的重要环节是人体软组织建模，研究指出有限元方法是目前最行之有效的建模方法之一。在有限元建模过程中，使模型具有组织器... 详细信息

近年来虚拟手术成为数字医疗研究的重点，它在手术培训、诊断、制定手术计划等方面均有重要应用。虚拟手术系统的重要环节是人体软组织建模，研究指出有限元方法是目前最行之有效的建模方法之一。在有限元建模过程中，使模型具有组织器官原有的材料属性是使建模形变更接近于真实形变的关键问题。本文的主要研究对象是软组织中最常见的肌肉组织。基于CT图像，相关的数据可被提取并用于建立肌肉的几何模型。利用有限元法和能量方程理论，可得到肌肉的应力-应变关系矩阵。将生物力学实验测得的力学参数应用到应力-应变关系矩阵中，即可使肌肉的几何模型具有非线性、不可压缩性等生物力学特性。利用MATLAB软件编写肌肉模型的有限元分析程序，将程序运行的计算结果与实验结果进行比较分析，验证了模型的有效性。另外，本文还建立了肌肉组织密度非均匀分布模型和肌肉的系统结构质量矩阵，可用于后续肌肉动力学分析的研究。本文的主要创新点是从CT图像提取数据并实现肌肉组织密度的非均匀分布，从而实现个体化、精确化建模;同时，在MATLAB软件下研发有限元程序也是前所未有的，这对软组织生物力学建模的研究提供了新的思路方法，这种方法可以继续应用在其他软组织，如皮肤、脂肪等的生物力学建模及仿真之中。

关键词：虚拟手术肌肉生物力学建模有限元方法

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人体手臂生物力学建模研究

建模与仿真 2022年第6期11卷 1636-1642页

作者：王万峰钱炜姚雨蒙上海理工大学上海

在工业领域中,手臂振动病问题日益突出,振动性白指为手臂振动病的典型特征,而现有模型对手指部分过于简化,无法很好地评估手传振动特性。本研究针对此问题,以弯臂姿势为基础,把手指部分细分为近指关节部分与其余部分,建立人体手臂系统... 详细信息

在工业领域中,手臂振动病问题日益突出,振动性白指为手臂振动病的典型特征,而现有模型对手指部分过于简化,无法很好地评估手传振动特性。本研究针对此问题,以弯臂姿势为基础,把手指部分细分为近指关节部分与其余部分,建立人体手臂系统六自由度生物力学模型,结合实验数据,辨识模型参数,验证所建模型,为手臂振动病的防治提供依据。

关键词：辨识模型现有模型手传振动生物力学模型六自由度振动性白指实验数据生物力学建模

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健康鼻骨受力的生物力学建模和有限元分析

中国耳鼻咽喉颅底外科杂志 2014年第1期20卷 6-10页

作者：李文平吴刚王珮华王盛章孙广滨上海市浦东医院耳鼻咽喉科上海201399 上海交通大学医学院附属第九人民医院耳鼻咽喉科上海200011 复旦大学力学与工程科学系上海200433 上海市浦东新区公利医院耳鼻咽喉科上海200135

目的建立成年人健康鼻骨相关生物力学模型,对鼻骨结构受力情况进行有限元分析,获得应力、应变等数据,利用统计分析揭示鼻骨的静力学应力分布特点。方法采用64排螺旋CT扫描获得影像数据;通过三维重建和图像处理获得鼻骨的三维几何模型;... 详细信息

目的建立成年人健康鼻骨相关生物力学模型,对鼻骨结构受力情况进行有限元分析,获得应力、应变等数据,利用统计分析揭示鼻骨的静力学应力分布特点。方法采用64排螺旋CT扫描获得影像数据;通过三维重建和图像处理获得鼻骨的三维几何模型;利用有限元分析软件建立鼻骨受力的生物力学模型并进行力学分析。结果通过对6例鼻骨受力的情况的有限元分析,发现当外力作用于鼻骨下端时,作用力与矢状面所成角度越大则最大应变越大,同时最大主应力逐渐增大;当角度接近60°时,随着角度的增加,最大主应力反而减小。结论当作用力与矢状面的夹角接近60°时,弹性模量较大的鼻骨容易发生骨折;当在角度接近90°时,弹性模量较小的鼻骨才能发生骨折。应用医学图像重建和有限元分析软件相结合的方法,可以帮助临床定量分析成人鼻骨结构的力学性质,为骨折患者矫形提供帮助。

关键词：鼻骨三维重建有限元分析生物力学建模

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上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究

文体用品与科技 2012年第14期 71-71页

作者：崔志勇郑州大学体育学院

人体是一个复杂而各异的复杂系统，为了适应人体运动所需应变情况的真实性，人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究具有重要的现实意义。本文从上肢运动学的研究现状入手，获得了上肢生物力学和运动生物力学研究的理论基础和实... 详细信息

人体是一个复杂而各异的复杂系统，为了适应人体运动所需应变情况的真实性，人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究具有重要的现实意义。本文从上肢运动学的研究现状入手，获得了上肢生物力学和运动生物力学研究的理论基础和实现可能，分别阐述了上肢运动力学模型的建立以及屈曲运动的动力学仿真实现，为人体机能的恢复和研究提供参考。

关键词：上肢生物力学建模典型运动

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基于神经网络的生物组织松弛阶段力学建模

医用生物力学 2021年第2期36卷 238-244页

作者：胡凌燕周文锦南昌大学信息工程学院南昌330031

目的以猪肾为例,通过一系列对比和类比实验分析生物组织松弛阶段压应力变化的影响因素,并建立较为准确且具有一定泛化性的生物组织松弛阶段力学模型。方法利用自搭建力学实验平台,对猪肾实施不同情况下压应力松弛实验。分析实验数据并... 详细信息

目的以猪肾为例,通过一系列对比和类比实验分析生物组织松弛阶段压应力变化的影响因素,并建立较为准确且具有一定泛化性的生物组织松弛阶段力学模型。方法利用自搭建力学实验平台,对猪肾实施不同情况下压应力松弛实验。分析实验数据并整理作图,总结影响力变化的各种因素。基于获得结论采用神经网络学习算法,对猪肾松弛阶段力变化过程进行建模。结果预挤压力、松弛时间为生物组织松弛阶段压应力变化的主要影响因素。测试样本验证实验平均误差为6.4 m N,泛化样本验证实验平均预测误差为34.9 m N,建模效果良好。结论神经网络建模算法具有泛化能力强、容错性好等优点,有利于为虚拟手术系统提供更为真实的力触觉反馈预测,对非线性生物组织力学建模而言是一种新思路。

关键词：应力松弛生物力学建模神经网络算法黏弹性泛化性

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针对按压与穿刺的生物组织力学建模算法研究

针对按压与穿刺的生物组织力学建模算法研究

作者：周文锦南昌大学

学位级别：硕士

随着虚拟现实技术的发展被国家所高度重视,虚拟手术系统逐渐被人们接受认可并应用于医学领域。目前市面上的虚拟手术系统由于生物力学的复杂程度高而鲜少配备有良好的力触觉反馈,力反馈的不准确甚至缺失使得虚拟手术系统缺乏真实临场感... 详细信息

随着虚拟现实技术的发展被国家所高度重视,虚拟手术系统逐渐被人们接受认可并应用于医学领域。目前市面上的虚拟手术系统由于生物力学的复杂程度高而鲜少配备有良好的力触觉反馈,力反馈的不准确甚至缺失使得虚拟手术系统缺乏真实临场感,导致其对医生教学训练效果欠佳。为解决此问题,本文主要研究了生物组织的按压及穿刺力学建模。本研究从按压及穿刺力学实验入手,首先利用Quanser-DENSO机械臂与ATI六维力/力矩传感器搭建了一个生物力学实验数据采集平台。为全面分析按压与穿刺力变化影响因素,基于基础力学分析及控制变量法设计并进行大量对比、类比实验,收集所需数据。接着将按压实验数据分加载、松弛、卸载三阶段逐一对比作图,分析各阶段力变化的关键影响因素,并用SPSS相关分析进行结论正确性检验。基于分析结论建立了针对按压力的新式分段函数拟合模型,并将神经网络算法引入生物力学建模,结合分段函数思想,提出一种分段神经网络生物力学建模算法。利用猪肾按压实验数据对两种建模算法进行建模准确性校验与泛化测试,对比评估两种算法的优劣。然后基于穿刺实验数据,分预穿刺、刺入、松弛、回拔四阶段对穿刺过程针受力变化进行详细力学分析,根据力学分析结论得出穿刺中各阶段力变化关键影响因素。通过相关分析的正确性校验后基于该结果结合分段神经网络建模算法,对0.6mm外径肌肉注射针穿刺猪肉实验数据及1.6mm外径针穿刺猪肾实验数据进行建模,并评估建立模型的准确度与泛化性。最后针对分段神经网络法训练数据处理过于繁杂耗时的情况,结合统计与数据分析思想,基于数据挖掘KNN算法提出了一种推广式KNN生物力学建模算法,并对本研究提出的三种生物力学建模算法进行对比分析,讨论各算法的优缺点及适用场景。

关键词：生物力学建模分段神经网络按压穿刺 KNN算法

基于生物力学的舱外服对人体上肢施力能力影响预测

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航天医学与医学工程 2015年第5期28卷 319-325页

作者：王晓东王政李昊严曲王春慧中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室北京100094

目的探索生物力学建模方法在人-舱外服作业系统工效分析中的应用,量化舱外服对人体上肢施力能力的影响。方法通过开展着常服和着舱外服两种工况下的最大施力能力实验,采集了9名受试者在8种出舱活动典型功能操作中的最大力,进而采集了9... 详细信息

目的探索生物力学建模方法在人-舱外服作业系统工效分析中的应用,量化舱外服对人体上肢施力能力的影响。方法通过开展着常服和着舱外服两种工况下的最大施力能力实验,采集了9名受试者在8种出舱活动典型功能操作中的最大力,进而采集了9名受试者的肩关节前屈/后伸/内收/外展和肘关节弯曲/伸展的等长最大自主收缩力矩作为单关节力量限制;根据人体运动生物力学模型和人-舱外服耦合运动生物力学模型预测两种工况下,不同功能操作的肩关节力矩和肘关节力矩随手部操作力的变化规律,进而根据每个受试者的单关节力量限制预测两种工况下的功能操作最大力;对比预测力量和实测力量,验证模型预测结果的正确性。结果两种工况下预测力量和实测力量果具有很高的一致性,模型预测的着舱外服人体不同位置施力能力下降规律与实际测量一致,但预测的下降率小于实测下降率。结论本研究建立的人-舱外服生物力学建模方法和基于单关节力量限制的施力能力预测原理,能在一定程度上预测不同操作位置舱外服对人体上肢施力能力的影响,拓展了人-舱外服作业系统工效分析方法。

关键词：生物力学建模舱外航天服施力能力工效学

拖拉机驾驶员下肢生物力学特性及踏板操纵舒适性研究

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拖拉机驾驶员下肢生物力学特性及踏板操纵舒适性研究

作者：张文杰华中农业大学

学位级别：硕士

舒适性研究是拖拉机踏板操纵系统工效学设计的重要基础,但目前关于该系统舒适性分析与评价的研究较为少见,且现有研究主要侧重于驾驶员静态舒适性的定性分析与主观评价,无法从根本上揭示系统舒适性的影响机制。因此,本研究聚焦拖拉机驾... 详细信息

舒适性研究是拖拉机踏板操纵系统工效学设计的重要基础,但目前关于该系统舒适性分析与评价的研究较为少见,且现有研究主要侧重于驾驶员静态舒适性的定性分析与主观评价,无法从根本上揭示系统舒适性的影响机制。因此,本研究聚焦拖拉机驾驶员下肢-踏板交互系统的舒适性定量评价问题,采用生物力学仿真软件Any Body Modeling System(AMS)构建拖拉机驾驶员-操纵环境动态耦合模型,计算动态环境中人体下肢主要活动肌群与关节的生物力学负荷,研究踏板设计参数对下肢生物力学特性参数的影响规律,建立下肢疲劳度舒适性评价指标与踏板设计参数之间的定量关系模型,对系统进行参数优化与工效学设计,实现人机关系的最佳匹配。本研究可为农机装备人机系统舒适性分析与工效学设计提供方法指导与技术支撑。主要的研究内容及结果如下:(1)根据中国人体测量学人体尺寸和东方红LX804型拖拉机驾驶室设计参数,采用AMS软件分别创建驾驶员骨肌模型与操纵环境模型,并在驾驶员的肢体、躯干等部位与操纵环境的方向盘、操纵杆、踏板、座椅等装置之间添加人机交互作用点,实现两模型的耦合连接。根据踏板力与踏板行程的传感器采集结果,在模型踏板铰链处,安装转角范围为0°-42°的旋转驱动器、刚度为37.85 Nm/rad的弹簧装置,从而定义模型驱动。采用表面肌电测试系统Cometa Mini Wave采集踏板操纵中,驾驶员下肢主要表层肌肉的肌电信号,并计算肌肉激活程度。通过对比下肢肌肉激活程度的肌电测试与模型预测结果,发现相对误差范围为5%-14%,平均相对误差为9.2%,在误差允许范围15%以内,说明此模型是有效可靠的,满足拖拉机驾驶员下肢生物力学特性的计算分析需求。(2)基于生物力学耦合模型,对踏板动态操纵过程进行仿真模拟,计算动态环境中人体下肢的生物力学负荷(主导发力肌群的肌肉激活程度及三大运动关节的关节力矩),分析下肢生物力学特性参数的动态变化规律。分析发现,(1)在踏板操纵前期(踏板转角17°),半腱肌、股直肌及比目鱼肌处于较高激活状态,且随踏板转角的增加而增大;(2)随踏板转角的增加,踝关节力矩自0 Nm不断增大,力矩方向保持为逆时针,而髋、膝关节力矩先减小后增大,且力矩方向发生改变;(3)下肢整体肌肉激活程度与下肢关节总力矩的变化规律基本一致,都随踏板转角的增加而先减小后增大,在踏板转角为8°-17°时达到最低水平,表明在踏板操纵过程中,下肢肌肉和关节的生物力学状态始终保持一致。(3)基于生物力学耦合模型,以踏板-座椅水平距离L、踏板-座椅竖直距离H、踏板弹簧刚度k为因素,以下肢主要活动肌群的肌肉激活程度及三大运动关节的关节力矩为指标,开展单因素仿真分析试验,从而探究踏板设计参数对驾驶员下肢生物力学特性的影响规律。研究发现:(1)参数L和H的变化对下肢生物力学特性的影响较为明显,当参数L≤82 cm(或H≤42 cm)时,半腱肌激活程度、髋关节力矩随参数L(或H)的增加而减小,而当L>82 cm(或H>42 cm)时,半腱肌激活程度、髋关节力矩随参数L(或H)的增加而骤增;(2)踏板弹簧刚度k所产生的影响较为复杂,随参数k的增加,髂腰肌激活程度逐渐减小,半腱肌、股直肌、比目鱼肌激活程度和踝关节力矩不断增大,而髋、膝关节力矩先减小后增大;(3)总体而言,下肢整体肌肉激活程度、下肢关节总力矩都随参数L、H及k的增加而先减小后增大,且分别在L=82 cm、H=42 cm、k=20 Nm/rad达到最低水平;此外,下肢整体肌肉激活程度与下肢关节总力矩的变化规律十分接近,说明下肢肌肉与关节的生物力学状态始终保持一致。(4)基于生物力学耦合模型,以踏板设计参数为因素,以下肢疲劳度为试验指标,开展三因素三水平响应面试验,探究各因素对下肢疲劳度的影响程度,分析因素之间的交互作用,建立下肢疲劳度与踏板设计参数之间的定量关系回归模型。以降低下肢疲劳度为优化目标,基于回归模型计算踏板设计参数最优组合解,从而确定踏板设计参数最优范围为区域{(L,H,k)|36≤L≤40,72≤H≤76,14≤k≤22}。将生物力学模型分别调整为标准和最优工况,并计算优化前后的下肢生物力学特性变化规律,分析发现,下肢整体肌肉激活程度、下肢关节总力矩在踏板设计参数优化后,分别降低了14.2%和51.6%,说明下肢生物力学负荷得到了有效缓解。(5)基于拖拉机模拟驾驶平台,以踏板设计参数为因素,以驾驶员下肢整体肌肉激活程度(肌电测试)为指标,根据前述单因素及响应面仿真分析试验方案,开展肌电测试单因素及正交试验,从而对比分析踏板设计参数在不同因素水平下,下肢整体肌肉激活程度的肌电测试与仿真分析结果。研究发现:(1)在单因素试验中,下肢整体肌肉激

关键词：拖拉机踏板操纵系统生物力学建模舒适性评价工效学设计

玻璃体视网膜显微手术机器人研究进展及前沿热点

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机械工程学报 2023年第20期59卷 451-469页

作者：张赫范志斌李海铭白明刘孟尧杨嘉辉赵杰哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150006 河北工业大学机械工程学院天津300401

由于眼组织精细、脆弱,眼球体积较小等原因,传统玻璃体视网膜手术难度大、风险高。机器人技术的引入,克服了传统手术稳定性差、精度低的弊病,提升手术安全性与可靠性。根据操作方式不同,从机器人构型、操作方式等方面分类介绍玻璃体视... 详细信息

由于眼组织精细、脆弱,眼球体积较小等原因,传统玻璃体视网膜手术难度大、风险高。机器人技术的引入,克服了传统手术稳定性差、精度低的弊病,提升手术安全性与可靠性。根据操作方式不同,从机器人构型、操作方式等方面分类介绍玻璃体视网膜显微手术机器人的研究进展。分析典型玻璃体视网膜疾病的手术流程,提出玻璃体视网膜机器人设计的基本要求,总结其共性技术。根据玻璃体视网膜手术机器人向智能化、自主化、精准化发展的趋势,对眼组织生物力学建模、术中多模态信息融合辅助技术、显微影像与OCT引导技术、多臂协作控制技术与共享控制技术等玻璃体视网膜手术机器人的研究热点进行介绍,并分析其未来发展趋势。

关键词：眼科手术机器人玻璃体视网膜手术生物力学建模多模信息辅助视觉引导多臂协作共享控制