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基于肌骨系统动力学的挺举动作分析及优化
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作者 马若瑜 雷蔚然 +2 位作者 潘晨 杨征辉 郭建峤 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期35-36,共2页
目的为提高举重运动员运动表现并避免损伤,本文提出面向举重运动员的肌骨系统动力学模型构建与分析方法,以实测关节运动与EMG表面肌电作为模型输入,基于逆向动力学方法求解抓举过程的肌骨系统生物动力学量。方法结合红外贴点与AI无标记... 目的为提高举重运动员运动表现并避免损伤,本文提出面向举重运动员的肌骨系统动力学模型构建与分析方法,以实测关节运动与EMG表面肌电作为模型输入,基于逆向动力学方法求解抓举过程的肌骨系统生物动力学量。方法结合红外贴点与AI无标记的混合动作捕捉,获取关节运动量。结合EMG采集与协同性分析,得到挺举过程个性化肌肉发力模式。构建面向运动员挺举过程的肌骨系统动力学模型,关节运动由Hill三元素力学模型驱动,最大肌力根据受试者等速发力测试结果进行标定。基于逆向动力学方法反解关节力/力矩,引入EMG协同性分析得到的肌肉发力模式内在关联,实现肌肉独立控制变量降维。最终基于逆向优化方法获取肌肉发力模式,根据双侧对称性、发力时相等特征,对运动员挺举动作技术进行优化。结果基于上述方法得到运动员双侧肩、髋、膝、踝等主要关节的时变关节力及力矩,以及上、下肢主要肌群个性化发力模式,得到的结果与EMG实测肌肉激活度具有一致性,并基于上述分析结果进一步给出运动员挺举发力个性化时相与对称性特征。结论本文构建的肌骨动力学实验建模与分析方法,可实现运动员挺举动作的定量评估,为运动员动作模式优化、损伤预防、训练量设计提供定量依据与分析工具。 展开更多
关键词 逆向动力学 举重运动员 关节运动 挺举 损伤预防 动作捕捉 表面肌电 动力学实验
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基于生物动力学的游泳动作分析方法
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作者 洪祺丰 李楠 +2 位作者 陈佳宇 王言冰 郭建峤 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期303-303,共1页
目的竞技游泳比赛中,成绩差异往往非常微小,因此对游泳技术动作的分析和优化成为了提高成绩的关键。为改善游泳运动员发力模式,以获得更好的成绩。本文旨在基于流固耦合以及多体动力学分析获得运动员肌肉激活度,最终优化肌肉发力,指导... 目的竞技游泳比赛中,成绩差异往往非常微小,因此对游泳技术动作的分析和优化成为了提高成绩的关键。为改善游泳运动员发力模式,以获得更好的成绩。本文旨在基于流固耦合以及多体动力学分析获得运动员肌肉激活度,最终优化肌肉发力,指导游泳动作优化。方法选取1名游泳运动员作为受试者,利用红外贴点的动作捕捉技术,在受试者关节处贴反光球收集游泳过程中的坐标数据。在Opensim中根据实测标记点数据驱动肌骨模型运动,输出各体段关节相对欧拉角。在Swumsuit中,根据运动员身高、体重以及各体段几何学数据实现人体流固耦合模型个性化,将Opensim中获得的关节角度输入到Swumsuit软件,进行流固耦合分析,获得流体作用在各个体段的阻力与升力。上述生物动力学量输入Opensim中,基于逆动力学反解得到关节力矩与肌肉激活度。结果获取运动员的肌肉发力情况与关节力矩,并基于静态优化假设得到了肌肉激活度。结论本文进行的竞技游泳的生物动力学实验及分析方法,为游泳过程中肌肉发力及运动效率提供了定量分析方法,为我国游泳运动员的训练模式和竞技比赛提供优化方案。 展开更多
关键词 游泳运动员 竞技游泳 游泳技术 游泳动作 动作捕捉技术 关节力矩 竞技比赛 数据驱动
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含精细寰枢关节的颈椎肌骨系统动力学个性化建模
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作者 孙成彦 刘杉杉 +4 位作者 士炟 于璐 陶君妍 许南方 郭建峤 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期337-337,共1页
目的全麻后颅骨牵引是难复性寰枢椎脱位的诊疗决策核心,但其治疗效果仍依靠医生经验推测。肌骨动力学模型能够对寰枢关节运动功能进行量化分析,为实现难复性AAD的精准化诊疗决策提供理论依据。方法招募1名健康受试者,其颈椎骨性结构简... 目的全麻后颅骨牵引是难复性寰枢椎脱位的诊疗决策核心,但其治疗效果仍依靠医生经验推测。肌骨动力学模型能够对寰枢关节运动功能进行量化分析,为实现难复性AAD的精准化诊疗决策提供理论依据。方法招募1名健康受试者,其颈椎骨性结构简化为刚体,几何由高精度CT图像重建得到。骨骼肌通过包含Hill本构的非线性ALE索单元进行建模,肌肉附着点基于个性化椎体几何与Vasavada标准人颈椎模型配准得到,基于MCU测定的颈椎等长力矩并调整肌肉最大主动肌力。寰枢关节抽象成简单几何与关节表面网格间的接触,关节间韧带采用大变形非线性索单元建模。基于双平面荧光透视,获取颈椎各关节的转角分配,将其作为运动协同约束。基于红外动作捕捉驱动逆动力学分析,获得关节力矩与肌肉发力模式信息。获得的肌肉发力模式作为正向动力学分析输入,得到寰枢椎关节时变接触力。结果基于上述方法,构建了一名健康受试者的寰枢椎肌骨系统动力学模型,可求得寰枢关节接触力、韧带内力等生物力学量,求得的浅表肌肉发力模式与实测EMG具有一致性。结论本文构建的寰枢椎肌骨系统动力学实验与分析方法,为明晰寰枢椎运动与稳定的生物动力学机制,预测难复性AAD不同手术松解技术的复位效果提供了定量分析工具。 展开更多
关键词 寰枢关节 健康受试者 寰枢椎 颅骨牵引 医生经验 难复性 骨性结构 双平面
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人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展 被引量:7
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作者 郭建峤 王言冰 +2 位作者 田强 任革学 胡海岩 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2022年第2期253-310,共58页
人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统,包括骨骼、骨骼肌与关节连接,其力学模型是典型的多柔体系统.从多体动力学角度研究肌骨系统,主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响,属于动力学与生物力学的交叉融合.肌骨系统的... 人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统,包括骨骼、骨骼肌与关节连接,其力学模型是典型的多柔体系统.从多体动力学角度研究肌骨系统,主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响,属于动力学与生物力学的交叉融合.肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域,其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据.与此同时,上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战.本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展,包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法,以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用.与工程领域的机械多体系统相比,人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征.现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制.已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性,忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制.此外,目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段.未来,人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展,成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域. 展开更多
关键词 肌骨系统 多柔体动力学 骨骼肌 逆向动力学 运动生物力学
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基于脊柱肌骨多柔体动力学模型的呼吸降载机制分析 被引量:2
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作者 郭建峤 郭伟 +1 位作者 任革学 田强 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期434-434,共1页
目的建立考虑腹内压产生机制的飞行员脊柱肌骨系统多柔体动力学模型,探讨离心机过载条件下抗荷呼吸对脊柱载荷的影响。方法基于柔性多体动力学方法,提出同时考虑肌纤维主、被动内力与结缔组织超弹性的肌肉膜单元。使用这一有限单元,建... 目的建立考虑腹内压产生机制的飞行员脊柱肌骨系统多柔体动力学模型,探讨离心机过载条件下抗荷呼吸对脊柱载荷的影响。方法基于柔性多体动力学方法,提出同时考虑肌纤维主、被动内力与结缔组织超弹性的肌肉膜单元。使用这一有限单元,建立腹横肌与膈肌离散模型,并通过周期性改变二者激活度实现抗荷呼吸。腹内压由上述核心肌群包裹的腹腔体积决定,建模为作用在膜单元内表面的分布力。其他骨骼肌被使用Hill肌肉本构的索单元离散。 展开更多
关键词 腹内压 腹横肌 多柔体动力学 柔性多体动力学 离散模型 分布力 脊柱 膜单元
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Herbst机动飞行腰椎肌骨多体动力学分析 被引量:1
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作者 郭伟 郭建峤 +2 位作者 李艺 任革学 赵平 《空军医学杂志》 2019年第5期386-389,共4页
目的 利用多柔体动力学方法,分析Herbst机动飞行时腰椎肌肉-骨骼系统内力变化,探讨载荷下飞行员腰椎间 盘力学损伤机制。方法 基于腰椎肌肉-骨骼系统多体动力学模型,施加Herbst机动飞行产生的三轴时变过载,仿真计算3种 腰椎运动与飞行... 目的 利用多柔体动力学方法,分析Herbst机动飞行时腰椎肌肉-骨骼系统内力变化,探讨载荷下飞行员腰椎间 盘力学损伤机制。方法 基于腰椎肌肉-骨骼系统多体动力学模型,施加Herbst机动飞行产生的三轴时变过载,仿真计算3种 腰椎运动与飞行过载耦合工况,根据腰椎间盘内力、小关节接触力、肌肉及韧带应力水平,评价飞行载荷导致的力学变化。 结果 腰椎前屈与Herbst机头-足向过载耦合产生了椎间盘峰值内力最大值,这说明在过载过程中的腰椎前屈更容易损伤腰 椎椎间盘,尤以L5-S1间盘最为明显,而腰椎伸展可以明显减小下腰椎负载,过载引发椎体间相对滑移,增大腰椎间盘剪切载 荷与关节接触力,引起肌肉与韧带内力变化。结论 多体动力学方法可以仿真计算腰椎肌肉-骨骼系统应力变化,为解释飞行 中腰椎间盘疲劳损伤机理提供理论依据与数据支撑。 展开更多
关键词 多体动力学 腰椎 飞行过载
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多体系统动力学建模方法在口腔医学领域的研究进展
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作者 陈俊鹏 王晶 +1 位作者 郭建峤 郭传瑸 《中华口腔医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期374-379,共6页
口颌系统由颌骨、牙列、关节、咀嚼肌、支配神经等构成,是人体行使咀嚼、语音、吞咽等重要功能的器官系统。由于口颌系统的功能运动精细,解剖结构复杂,加之伦理限制,使用生物力学实验方法直接测量运动和受力情况存在困难。多体系统动力... 口颌系统由颌骨、牙列、关节、咀嚼肌、支配神经等构成,是人体行使咀嚼、语音、吞咽等重要功能的器官系统。由于口颌系统的功能运动精细,解剖结构复杂,加之伦理限制,使用生物力学实验方法直接测量运动和受力情况存在困难。多体系统动力学是研究相互关联的一组刚体与柔性体运动的一门学科,多体系统动力学模型能够同时分析这一组物体的变形与空间运动,为口颌系统运动状态、软组织变形及力的传递的研究提供了重要的数值模拟手段。本综述简要介绍当前常用的人体多体系统动力学建模方法,着重总结多体系统动力学建模方法在口腔医学领域的应用和研究进展,并提出了当前研究的难点问题及发展前景。 展开更多
关键词 口颌系统 生物力学 肌肉骨骼系统 计算机模拟
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A forward-inverse dynamics modeling framework for human musculoskeletal multibody system 被引量:2
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作者 Xinyue Wang Jianqiao Guo Qiang Tian 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第11期101-114,共14页
Multibody musculoskeletal modeling of human gait has been proved helpful in investigating the pathology of musculoskeletal disorders.However,conventional inverse dynamics methods rely on external force sensors and can... Multibody musculoskeletal modeling of human gait has been proved helpful in investigating the pathology of musculoskeletal disorders.However,conventional inverse dynamics methods rely on external force sensors and cannot capture the nonlinear muscle behaviors.Meanwhile,the forward dynamics approach is computationally demanding and only suited for relatively simple tasks.This study proposed an integrated simulation methodology to fulfill the requirements of estimating foot-ground reaction force,tendon elasticity,and muscle recruitment optimization.A hybrid motion capture system,which combines the marker-based infrared device and markerless tracking through deep convolutional neural networks,was developed to track lower limb movements.The foot-ground reaction forces were determined by a contact model for soft materials,and its parameters were estimated using a two-step optimization method.The muscle recruitment problem was first resolved via a static optimization algorithm,and the obtained muscle activations were used as initial values for further simulation.A torque tracking procedure was then performed by minimizing the errors of joint torques calculated by musculotendon equilibrium equations and inverse dynamics.The proposed approach was validated against the electromyography measurements of a healthy subject during gait.The simulation framework provides a robust way of predicting joint torques,musculotendon forces,and muscle activations,which can be beneficial for understanding the biomechanics of normal and pathological gait. 展开更多
关键词 Multibody dynamics Musculoskeletal modeling GAIT Forward-inverse dynamics Musculotendon dynamics
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