一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型

目的针对现有肌骨模型建模精度差,有限元模型计算效率低的问题,本研究创新性提出耦合两种模型建立一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型,实现多场景下人体动作的多尺度多物理的高精度、高效率耦合模拟。方法基于医疗影像数据在有限元环境中运用显示动态有限元法与参数化编程建立多尺度全身刚柔混合肌骨数字模型。其中肌肉采用希尔模型建模,胫股关节被建模为6自由度Cartesian-Cardan连接器;髌股关节具有前后、上下平移自由度和屈伸旋转自由度;其他关节建模为Join-Cardan连接器。并通过步态与肌肉激活数据对肌骨模型进行校准和优化。同时建立基于医疗影像数据特征的非线性变换的模型缩放算法,实现对肌骨模型的快速缩放。结果本研究建立的全身肌骨数字模型可实现针对特定受试者的个性化快速缩放,并可通过运动数据作为个性化边界条件输入驱动模型,从而进行身体与组织水平的相关研究。与单一的肌骨模型或有限元模型相比,其预测精度提高15%,个性化缩放效率提高60%,且计算效率大幅提升。结论本研究建立的全身肌骨数字模型具有建模精度与计算效率平衡的明显优势,可实现多场景下人体-关节-软组织跨尺度动力学研究,并为人工假体的在体多维性能评测提供数字化分析平台。