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OpenSim在人体骨肌系统生物力学中的应用

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生物医学工程学进展 2021年第3期42卷 144-148页

作者：丁立军吕杰魏俊璟徐军曹金凤上海健康医学院医疗器械学院上海201318 上海大学期刊社上海200444

斯坦福大学开发的生物力学与步态分析软件OpenSim主要用于人体肌肉骨骼系统的可视化、建模与分析,在生物力学、神经科学、人体工程、康复工程、体育科学和教育等领域得到了广泛的应用。该文从人体骨肌系统仿真分析的发展历史,基于OpenSi... 详细信息

斯坦福大学开发的生物力学与步态分析软件OpenSim主要用于人体肌肉骨骼系统的可视化、建模与分析,在生物力学、神经科学、人体工程、康复工程、体育科学和教育等领域得到了广泛的应用。该文从人体骨肌系统仿真分析的发展历史,基于OpenSim的运动与动力学分析、生物力学应用建模、平台算法创新与外部软件的连接和功能扩展等方面对OpenSim的应用现状进行介绍,有助于研究人员系统地了解OpenSim在生物力学领域的最新研究进展和应用成果,为OpenSim在生物力学领域后续研究工作的开展提供参考。

关键词： OpenSim 力学分析生物力学建模算法创新

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覆膜支架治疗主动脉夹层的有限元分析

医用生物力学 2018年第4期33卷 326-331页

作者：孟庄源马韬王盛章董智慧符伟国复旦大学航空航天系生物力学研究所上海200433 上海市针灸机制与穴位功能重点实验室上海200433 复旦大学附属中山医院血管外科上海200032

目的利用有限元方法模拟覆膜支架植入治疗主动脉夹层的过程,通过观察覆膜支架在血管不同位置处释放对血管壁上的应力分布情况,分析覆膜支架植入后血管出现新发破口的生物力学机制。方法根据主动脉的计算机断层血管造影影像数据,进行图... 详细信息

目的利用有限元方法模拟覆膜支架植入治疗主动脉夹层的过程,通过观察覆膜支架在血管不同位置处释放对血管壁上的应力分布情况,分析覆膜支架植入后血管出现新发破口的生物力学机制。方法根据主动脉的计算机断层血管造影影像数据,进行图像分割和三维重建,建立具有病人特异性的主动脉夹层的三维几何模型;根据文献数据,给定主动脉夹层壁厚和材料属性;利用CAD软件设计出不同几何参数的覆膜支架环;利用有限元分析软件模拟覆膜支架的释放过程。结果当覆膜支架处于稳定状态时,血管最大Von Mises应力与覆膜支架的释放位置有关;血管壁上的最大Von Mises应力点分布在裸支架及第1节细小镍钛合金环接触处,该作用力的长期存在可能是这个部位出现新发破口的原因。结论覆膜支架的释放位置对主动脉上的最大Von Mises应力分布影响较弱,但对主动脉上的Von Mises应力影响较为明显。研究结果对临床上覆膜支架释放位置的选择具有指导意义。

关键词：主动脉夹层生物力学建模覆膜支架有限元分析

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面向出舱活动的典型功能操作肌肉激活预测

载人航天 2015年第5期21卷 510-515页

作者：王晓东王政李昊李凡刘志臻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

面向出舱活动中航天员肌肉状态和体力负荷的风险评估,为了实现航天员肌肉激活的预测,开展了着常服和舱外服两种工况下不同操作位置的推、拉、提、压共8组典型功能操作实验,测试航天员最大施力能力的同时采集了肱二头肌长头、肱三头肌外... 详细信息

面向出舱活动中航天员肌肉状态和体力负荷的风险评估,为了实现航天员肌肉激活的预测,开展了着常服和舱外服两种工况下不同操作位置的推、拉、提、压共8组典型功能操作实验,测试航天员最大施力能力的同时采集了肱二头肌长头、肱三头肌外侧头和三角肌前束的肌电信号。提出基于人-舱外服耦合运动生物力学模型预测着舱外服人体的肌肉激活,并预测了两种工况下8组典型功能操作的肌肉激活。通过预测结果和积分肌电值的相关性分析,验证了模型预测的有效性,为研究人-舱外服真实交互方式提供了新的方法学思路,对肌肉激活的预测为出舱活动任务规划提供了生理学依据。

关键词：出舱活动舱外服生物力学建模肌肉激活 AnyBody 工效学

参数自动寻优的支持向量机软组织力学模型及在虚拟手术仿真系统中的应用

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参数自动寻优的支持向量机软组织力学模型及在虚拟手术仿真系统中...

作者：吕言哲南昌大学

学位级别：硕士

虚拟手术仿真系统能够用于外科医生的培训,现有的虚拟手术仿真能够在视觉上良好呈现手术过程,但由于人体软组织力学模型复杂,虚拟手术操作过程中的力反馈还不是很逼真。因此,本文针对软组织力学建模开展研究,并将建立的软组织生物力学... 详细信息

虚拟手术仿真系统能够用于外科医生的培训,现有的虚拟手术仿真能够在视觉上良好呈现手术过程,但由于人体软组织力学模型复杂,虚拟手术操作过程中的力反馈还不是很逼真。因此,本文针对软组织力学建模开展研究,并将建立的软组织生物力学模型应用于虚拟手术仿真系统,在虚拟手术操作过程中获得了准确的力反馈。首先,本文研究了软组织形变过程中的力学特性,并搭建了生物软组织力学数据采集平台,以猪肝脏作为实验对象收集力学建模所需数据,并根据相关性分析影响应力的主要因素。手术器械对软组织按压过程中在应力加载和松弛时,软组织表现出不同的力学特性,因此后续将软组织力学建模分成应力加载和松弛两个阶段分别建模。用机械臂和力传感器搭建了生物软组织力学数据采集平台,控制机械臂用不同面积的圆柱销以不同的速度对软组织进行按压实验,并记录数据,为后续进行软组织生物力学建模提供数据。其次,将手术器械对软组织按压过程分成应力加载和松弛两个阶段,分别建立支持向量机模型,并使用粒子群算法对支持向量机的核函数参数2)和惩罚系数进行自动寻优,用寻优的参数构建支持向量机对软组织交互力进行预测。实际实验结果表明,在应力加载阶段,采用粒子群算法寻找的最优参数构建的支持向量机模型,预测交互力与实际交互力的均方根误差为1.5737N。在应力松弛阶段,模型预测均方根误差为0.37857N。最后,本文将建立的支持向量机模型应用到虚拟手术仿真平台中。首先建立手术器械和人体肝脏组织的几何模型。基于人体真实肝脏的计算机断层扫描数据建立基于点云的人体肝脏组织3维模型,使用Open GL函数库对模型进行贴图和渲染。其次将基于支持向量机的生物力学模型应用于虚拟手术系统的手术器械与肝脏交互的反馈力计算,根据手术器械的截面积、软组织形变与交互速度计算手术器械与组织的交互力,并通过触觉机械手将该交互力反馈到操作者手上。实际实验证明,该虚拟手术仿真系统能够让操作者感受到较为准确的手术器械与软组织的交互力,模型计算能够满足虚拟手术仿真系统实时性要求操作流畅,力反馈误差较小。

关键词：虚拟手术系统生物力学建模粒子群算法支持向量机

基于驾驶员腰部舒适性分析的拖拉机座椅位置参数优化

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基于驾驶员腰部舒适性分析的拖拉机座椅位置参数优化

作者：王启超华中农业大学

学位级别：硕士

拖拉机是国民经济建设的重要基础设备,其人机工效学问题是国际农机工程领域人机工程学研究的重要方向与研究热点。但是,农机装备人机工程问题尚未引起足够重视,针对拖拉机座椅舒适性分析与评价的研究尤为少见,且现有研究主要是通过主观... 详细信息

拖拉机是国民经济建设的重要基础设备,其人机工效学问题是国际农机工程领域人机工程学研究的重要方向与研究热点。但是,农机装备人机工程问题尚未引起足够重视,针对拖拉机座椅舒适性分析与评价的研究尤为少见,且现有研究主要是通过主观评价或采用关节角度等运动学方法对驾驶员静态驾驶坐姿舒适性进行定性分析与评价,无法揭示人椅系统舒适性的影响机制及人体舒适性/不舒适的内在机理。基于此,本研究以驾驶员腰部骨肌系统为研究对象,以肌肉激活程度、腰椎间关节压力和体压分布为指标,以座椅靠背倾角、水平距离和垂直高度为主要因素,系统研究了座椅位置参数对人体腰部肌肉激活程度、腰椎间关节压力、体压分布等人体内部生理信息与外部特征信息的影响,确定座椅最佳位置参数。相关研究成果可为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。本文主要研究内容与结果如下:(1)驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型构建。本研究参照东方红LX804型拖拉机驾驶室内部布局建立驾驶环境三维模型,首先根据《GB/T 10000-1988中国成年人人体尺寸》标准修正人体骨肌尺寸,建立符合中国成年人人体尺寸的小、中、大三种人体骨肌模型,其次基于Any Body以人体骨肌模型H点为基准点,对环境模型进行分步导入与定位,在人体骨肌胸椎、腰椎、大腿、坐骨结节和双脚处添加支撑点,实现骨肌模型与环境模型耦合与力的传递,然后在手部添加球铰约束以平衡自由度,增添手套体节避免刚性体强度滥用,最后添加驾驶员自身重力负荷,实现模型负载定义。最终构建符合实际驾驶环境及中国成年人典型人体尺寸的驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型。(2)驾驶员腰部骨肌生物力学特性仿真分析。本研究以拖拉机座椅靠背倾角、座椅SIP点距方向盘SWC点水平距离和座椅SIP点垂直高度为研究因素,以驾驶员腰部竖脊肌、多裂肌、腹直肌和腹外斜肌肌群激活程度及腰椎椎间关节压力作为肌肉和关节舒适性评价指标。设计单因素和响应面试验,系统分析座椅位置参数及其交互作用对驾驶员肌肉和关节舒适性的作用规律。试验结果表明,相同工况下,驾驶员体型越大,腰部整体肌肉激活程度越小;腰椎L1-L5椎间压力自上而下逐渐增大,符合人体腰椎正常生理构造结果;靠背倾角是影响腰椎间关节压力的关键因素,靠背倾角最优时,三种体型驾驶员腰椎间关节压力较初始坐姿分别降低约41.9%、43.2%、41.6%。以最低整体激活程度和最小L4-L5椎间关节压力为优化目标,获得各体型座椅优化方案,小体型:靠背倾角9.7°、水平距离472.1 mm、垂直高度465.3 mm;中体型:靠背倾角13.9°、水平距离495.6 mm、垂直高度485.3 mm;大体型:靠背倾角14.8°、水平距离526.4 mm、垂直高度520.7 mm。座椅最优参数下仿真试验结果与Design-expert响应预测值最小相对误差为0.368%,最大相对误差为2.785%,表明仿真结果与预测结果吻合性高,经响应面法确定的座椅优化结果具有较高准确性。(3)驾驶员腰部肌群生物力学特征参数测试与分析。本研究采用表面肌电测试技术对驾驶员腰部肌群进行MVC标定测试,为肌肉活动数据化对比提供前提。参照仿真试验设计,获取座椅各参数不同工况下腰部四块肌群肌电信号,经预处理及时域分析计算驾驶员腰部肌肉整体激活程度。同时,为验证座椅优化结果可信性,分别采集计算三种体型驾驶员在对应座椅最优参数下的腰部肌群激活程度并与仿真结果进行一致性对比。分析发现,大体型驾驶员试验结果较仿真偏低,小体型驾驶员试验结果较仿真偏高。各肌群均存在一定误差,最小相对误差为1.131%,最大相对误差为11.632%,其原因是非侵入式表面肌电测试法实际测得的肌电信号存在肌肉叠加交叉干扰影响,且考虑传感器粘贴位置、心电信号、外部环境干扰及调整座椅参数人为偏差,因此存在5%～15%固有相对误差,表明座椅位置参数优化结果具有较高可靠可信性。(4)基于体压分布的驾驶员-座椅适配性研究。根据人体外部体压特征信息,研究座椅位置参数对驾驶员舒适性的影响,本研究采用体压分布法获取驾驶员在座椅靠背和椅面上的体压分布情况,设计单因素和正交试验,以最大压力、平均压力、接触面积和座椅压力分布均匀度多项评价指标研究座椅位置参数对驾驶员体压分布影响。确定中体型驾驶员座椅最优参数组合:靠背倾角15°、水平距离485 mm、垂直高度490 mm,与前文响应面法确定的座椅最优参数相吻合且在座椅较优参数范围内。在此座椅参数组合下,体压最大压力为15.3 k Pa,平均压力为3.2 k Pa,接触面积为1446.78 cm,座椅压力分布均匀度为6.06,体压分布云图显示驾驶员与座椅靠背和椅面接触良好,整体接触面积较大,体压分布均匀,压力集中现象弱,整体舒适性较好。

关键词：拖拉机座椅生物力学建模肌肉激活程度体压分布参数优化

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羽毛球挥拍动作对于喙肩韧带的影响

体育世界(学术版) 2015年第7期 141-142页

作者：贺笑一西安电子科技大学

在羽毛球运动中,不正确的挥拍动作往往是喙肩韧带非接触式损伤的隐患。我们以50个西安电子科技大学学生为测试对象,进行了羽毛球挥拍动作的生物力学建模。通过模型计算,我们发现不正确的挥拍动作相比与正确的挥拍动作,喙肩韧带的负荷更... 详细信息

在羽毛球运动中,不正确的挥拍动作往往是喙肩韧带非接触式损伤的隐患。我们以50个西安电子科技大学学生为测试对象,进行了羽毛球挥拍动作的生物力学建模。通过模型计算,我们发现不正确的挥拍动作相比与正确的挥拍动作,喙肩韧带的负荷更大。而长期使用不正确的挥拍动作将有可能导致喙肩韧带的破坏。

关键词：羽毛球挥拍动作喙肩韧带韧带损伤非接触式损伤生物力学建模