个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

不同类型篮球运动员ACL损伤危险因素的随机生物力学模型分析

篮球运动员常面临前交叉韧带(ACL)损伤的风险,这种损伤会对运动员的职业生涯产生严重影响。本文采用随机生物力学模型,对专业和非专业的篮球运动员进行比较分析,探讨影响ACL损伤的各种因素,如运动员的身体素质、技术水平、训练方法和使用的装备等。研究结果:男性和女性篮球运动员在多个下肢生物力学特征上存在显著差异,这些差异可能与ACL损伤的风险有关;并且女性的ACL损伤率高于男性。此发现可为篮球运动员的训练和康复提供参考和借鉴。

一个三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征 ,在文献和试验的基础上 ,对膝关节解剖结构作了适当的简化 。

随机生物力学模型分析篮球运动员和普通大学生ACL损伤危险因素的差异

目的:通过建立前交叉韧带(ACL)负荷的生物力学模型分析运动水平和性别对完成侧切动作时ACL损伤概率和危险因素的影响。方法:采集男女大学生篮球运动员和普通大学生完成侧切动作时的运动学、动力学和肌电学数据,运用蒙特卡罗方法获得模拟的ACL损伤试跳数据。通过t检验确定模拟得到的损伤和未损伤动作各指标之间的差异,分析发生损伤的危险因素。采用双因素方差分析确定运动水平和性别对与ACL负荷相关指标的影响。结果:篮球运动员和普通大学生损伤概率女、男之比分别为18.36和13.04。模拟得到的损伤与非损伤试跳相比,男性篮球运动员和普通男大学生腓肠肌肌力(P=0.553,P=0.773)、女性篮球运动员膝关节旋内力矩(P=0.981)和普通男大学生垂直地面反作用力(P=0.810)均无显著性差异。其余篮球运动员和普通大学生的各项指标在损伤与非损伤试跳间均具有显著性差异(P<0.05)。另外,除压力中心到踝关节水平距离(P=0.114)、矢状面(P=0.061)和非矢状面负荷(P=0.58)在性别和运动水平间无交互作用外,其余指标均表现为显著性交互作用(P<0.01)。结论:运动水平和性别都会影响ACL损伤危险因素,且性别对危险因素的影响受运动水平的影响。整体而言,女性比男性,专业篮球运动员比无训练经验的同龄大学生产生ACL损伤的危险性更大。

确定前交叉韧带损伤概率及危险因素的随机生物力学模型与模拟

确定损伤风险因素是有效预防非接触性前交叉韧带损伤的关键。目的:建立前交叉韧带损伤随机生物力学模型,确定与损伤率有因果关系的风险因素。方法:在前交叉韧带负荷的生物力学模型基础上建立前交叉韧带损伤的随机生物力学模型,采用蒙特卡洛模拟方法预测急停起跳落地动作时前交叉韧带损伤概率,并判断影响损伤概率的风险因素。随机模型所需要的各独立变量的分布来自于19名男性和18名女性运动员的实测数据。结果:女性损伤概率是男性的4.91±0.25倍。模拟的损伤组比非损伤组的膝屈角更小、向后地面反力峰值更大。结论:模型预测的男、女损伤概率比、损伤膝角均与文献研究结果一致,证明了模型预测前交叉韧带负荷的有效性。着地瞬间的向后地面反作用力第一峰值和膝关节屈角是ACL损伤的风险因素。

关于人膝关节生物力学模型的研究现状

建立人膝关节模型是生物力学研究领域中最具挑战性的课题之一．本文对人膝关节生物力学模型的研究现状予以简单的评估和综述．结果显示：目前用于研究人膝关节的大部分模型，均属静力或准静力模型；仅建立了极少的人膝关节解剖基生物动力模型，且均属二维动力模型．因此。

豚鼠内耳前庭-半规管生物力学模型研究

人体维持平衡主要依靠前庭、视觉及本体感觉3个系统的相互协调来完成,其中前庭系统最为重要.因其结构细微且位置深在,传统方法难以满足现代前庭医学定位、定性、定量的研究需要,而生物数值模拟研究方法在现代耳科学研究中优势显著.建立精准的生物数值模型是其重点之一.本研究通过连续组织切片技术获取豚鼠内耳膜性结构的二维解剖数据,进一步建立同时包括前庭和3个半规管的宏观三维生物数值模型,其空间结构特征及尺寸与解剖学观察一致;数值模拟临床医学冷热实验,量化描述了不同环境温度激励下半规管内壶腹嵴顶位移、速度和压强等参数随时间变化的生物力学特征,其与临床观察到的眼震结果一致.总之,通过连续组织切片技术获取内耳膜性结构二维解剖数据并据此建立内耳三维生物数值模型的研究方法可行,所建立的生物模型可满足前庭-半规管平衡功能定位、定性、定量的研究需要.

膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析

背景:膝关节骨性关节炎主要以软骨退变,骨质增生进而影响到关节周围软组织致关节疼痛,负重后加重以及后期致关节变形的慢性疾病。目的:实验收集膝关节骨性关节炎患者及正常人的膝关节影像学参数,再先后导入各种软件建立模型,然后在模型上模拟膝关节下蹲动作,并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据,并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。方法:收集膝关节骨性关节炎患者及正常人各30例,通过影像学CT,MRI检查获得数据,将得到的数据通过Mimics软件、Simpleware软件分析后建立模型,通过模型获得膝关节软骨应力相关数据,最后进行膝关节骨性关节炎患者与正常人数据的对比分析,分析总结得出膝关节骨性关节炎患者关节软骨的应力特点。结果与结论:膝关节骨性关节炎患者从站立到下蹲过程中膝软骨表面应力一般呈现非线性递增趋势。膝关节骨性关节炎患者下蹲过程中膝软骨表面中间外侧应力应力高于正常人体组(P<0.05),而其下蹲过程中膝软骨表面靠近远端应力及前后侧应力与正常人相比差异无显著性意义(P>0.05)。结果证实,成功建立膝关节骨性关节炎肌骨模型和有限元模型,建立的模型更接近真实膝关节的运动特征,通过模型为膝关节骨性关节炎疾病提供膝部组织定量的生物力学数据。

黏附于血管壁表面的白细胞在稳定剪切流动下发生变形的生物力学模型

白细胞与血管表面的黏附是重要的生物医学工程问题 ,引起了学者们的广泛研究。我们用复合液滴来模拟黏附于血管表面的白细胞 ,根据二维计算流体动力学方法研究了流体切应力作用下白细胞黏附引起的压力分布。同时 ,通过引入“变形指数”的概念 ,研究稳定剪切流动下白细胞变形的生物力学特性。数值结果表明 :( 1)随着初始接触角、毛细血管数、外界流场雷诺数的增大 ,细胞的变形也增大 ,而细胞浆比细胞核更易于变形 ,表明细胞核更能耐受剪切流动 ;( 2 )当切应力增大到一定值时 ,细胞不能进一步变形 ,变形指数达到峰值 ;( 3 )压力分布曲线表明 ,在细胞的下游形成一个高压区 ,提供促使细胞受力达到平衡的升力 ,从而阻止了细胞的进一步变形。我们关于细胞核变形的结果有助于理解白细胞如何将外界流体作用力 (如切应力 )

人上气道生物力学模型的研究进展

建立人上气道生物力学模型是研究上气道结构和功能的有效方法,对上气道疾病的预测和治疗也有重要的临床意义。本文总结了上气道生物力学模型的研究状况,以及模型在上气道疾病治疗方面的的临床应用,并对今后的研究方向进行了展望。

耳鼻咽喉器官生物力学模型研究进展

耳鼻咽喉都是直接接触外界环境的器官,其功能的实现和疾病与外界环境紧密相关.研究该部位器官的生物力学模型,对探索其在一定外界环境刺激下,功能实现的机理以及相关疾病的预测和治疗有重要的意义.本文对耳鼻咽喉器官生物力学模型的研究进展和临床医疗应用进行了介绍,并对以后的工作进行了展望.

摆动类推拿(法)的生物力学模型分析

通过建立摆动类推拿(法)多刚体生物力学模型,对摆动类推拿(法)操作过程中各主要部位进行运动学和动力学分析。应用螺旋CT扫描成像方法对推拿实施者进行上肢的CT扫描,采用Mimics软件从断层影像数据中构建上肢的三维模型,并进行实体重建。分析各部分的运动和受力情况。最后得出建立摆动类推拿(法)的生物力学模型可对中医法操作过程中上肢的运动和受力进行较好的定量分析的结论。

功能状态下下颌骨生物力学模型的建立

为探讨建立正常下颌骨在功能状态下生物力学模型的可行性,我们利用完整干燥的下颌骨,采用硅橡胶模拟颞下颌关节盘等结构,通过在各肌肉中心点分别模拟咬肌(M)、颞肌(T)、翼内肌(M P)和翼外肌(LP)进行加载,成功地建立了包括颞下颌关节以及四组肌肉(M=180 N,T=190 N,M P=120 N,LP=40 N)同时加载的下颌骨生物力学模型。该模型比较真实地模拟了生理状态下下颌骨的受力情况,为下颌骨在各种生理状态下的生物力学研究创造了条件,并为下颌骨骨折的生物力学研究奠定了基础。

一个三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征，在文献和试验的基础上，对膝关节解剖结构作了适当的简化，从而建立了一个完整的三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型．

基于实测数据的单自由度行人生物力学模型

为研究低频轻质梁板结构上行人-结构的相互作用,将人体等效为一个具有移动质量-阻尼-刚度(MMCK)的单自由度生物动力学力学模型,并依此建立其动力方程.首先,基于实测的大量数据采用最小二乘法求解耦合系统等效的非线性方程组得到生物力学模型中的质量、阻尼、刚度等输出参数.然后,通过统计分析其分布规律,对三个输出参数进行二次交叉乘积项拟合得到各参数与行人步频以及行人质量的回归关系式公式,建立单自由度生物力学模型.对回归的参数表达式与试验求解的参数进行对比分析,验证了该回归参数模型的合理性.

兔股骨三维生物力学模型的建立(英文)

背景:基于自编写的Matlab程序实现了对兔股骨图像边缘的识别。但鉴于模型的复杂性,在UG三维软件中建立股骨实体模型后导入ANSYS软件中,能否构建相应的结构模型?目的:构建兔股骨三维生物力学模型的方法。设计:随机对照观察。单位:北京理工大学生物力学实验室。材料:实验用1只雌性新西兰大白兔,兔龄1年,体质量2.6kg,。实验用ACTIS400/225型工业CT扫描机为美国BIR公司生产。方法:实验于2005-07/12在北京理工大学生物力学实验室完成。①股骨影像轮廓提取:实验兔麻醉后处死,分离股骨。将工业CT扫描图像转换成*.bmp格式的图像文件,应用Photo shop图像处理软件,对原始图像进行对比度调整、平滑去噪等必要处理,以增强图像的可辨性和可分析性。再用磁性套索工具勾勒各层图像的内、外边界线,得到各层面股骨内、外轮廓曲线,采用CT扫描机对兔股骨进行扫描,自股骨头上端起,由近端向远端垂直于股骨纵轴行CT扫描,层间距为1mm。小转子下方第43层至股骨中段53层,由于形状比较规则,扫描层间距为2mm。共扫描87层,长度为9.9cm,输入计算机后经处理得到边界轮廓线,再通过自编程序,获取建模时所用的轮廓线坐标,将坐标数据输入建模软件,建立三维实体模型。②股骨有限元模型的建立:将UG中导出的*.IGES文件,导入至ANSYS软件,自动生成股骨实体模型,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到有空腔的实体模型。主要观察指标:兔股骨结构模型建立情况。结果:①利用UG三维造型软件,读取第1层轮廓数据*.dat文件,形成由多个数据点连接的自由曲线,依次读取第2层、第3层、第4层至第87层,形成兔股骨内、外轮廓的堆叠图。②采用自由网格划分法,应用ANSYS程序自动划分网格,生成有限元网格。网格划分后得到42221个节点及27768个单元。结论:实验模型真实模拟了兔股骨的解剖学形态。建立的三维生物力学模型为下一步通过有限元法确定振动对骨丢失影响的最佳参数奠定了实验学基础。

动脉粥样硬化斑块发展的生物力学模型

目的动脉粥样硬化斑块是造成心脑血管疾病的重要临床病理原因。斑块内部多种细胞成分和化学因子共同相互作用,推动了易损斑块的动态发展变化。方法建立斑块发展变化的生物力学模型,考虑多种细胞(内皮细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞等)和多种化学因子(血管内皮生长因子、基质金属蛋白酶、细胞外基质等)在斑块不稳定发展中的影响,以及斑块内血管新生及斑块内出血,模拟斑块向易损化发展过程中各组分物质的动态耦合变化。

砍击案件生物力学模型的构建与应用

目的持刀砍击案件是最常见伤害类型之一,伤害人个体、砍击动作、刀器和砍创形态特征是刑事调查和法庭审判的关键要素。通过构建砍击案件的生物力学模型,提高案件关键要素的关联性,为案件研判和庭审提供科学手段。方法 (1)募集56名受试者手持4种刀器分别对站立位和卧位假人进行砍刺,采集分析运动学和动力学数据。