矫形鞋垫对扁平足患者下肢影响的生物力学分析

【目的】矫形鞋垫是非手术矫正扁平足的有效手段,但对于其康复治疗机制目前还未有统一的观点,以往的研究大多集中在对足底压力的改善。【方法】首先利用三维运动捕捉系统、测力台和足部测试系统分别对受试者进行测试,获取扁平足患者自然行走时下肢的运动学和动力学数据,然后使用Anybody软件建立受试者的肌骨模型并进行逆向动力学分析,对比分析扁平足患者使用矫形鞋垫前、后自然行走时下肢关节角度、地面反作用力、关节力矩和肌肉激活度等参数的变化。【结果】结果显示:扁平足患者穿戴矫形鞋垫后,足底压力分布有明显改善,步行周期内踝关节运动角度变化明显,支撑期内垂直地面和侧向地面反作用力峰值均变小,关节力矩和下肢主要肌肉的激活度均有不同程度的改变。【结论】可为临床扁平足患者的康复治疗提供一定参考。

不同运动状态下国产人工膝关节接触压力分布有限元分析

为研究力轴一致时不同运动对人工膝关节各组件接触压力的影响,拍摄下蹲、上楼梯和步行运动过程并解析得到运动学数据,基于国内厂家提供的图纸,建立人工膝关节的三维有限元模型,对其施加运动和载荷进行计算分析.结果表明:双腿直立时各组件上的接触压力峰值最小,而下蹲90°时股骨组件最大,下蹲120°时胫骨垫组件最大,上楼梯时各组件峰值介于下蹲90°和120°之间;步行过程中,单腿支撑、脚趾离地和脚跟着地时各组件的压力峰值依次降低.这表明该国产人工膝关节符合国人膝关节的解剖结构,内、外侧接触压力峰值适中且具有较大的接触面积,可以满足临床上的要求.

基于任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法的标枪飞行仿真

目的(1)确定使用任意拉格朗日-欧拉(ALE,Arbitrary Lagrangian-Eulerian)流固耦合方法进行标枪飞行仿真的可行性;(2)通过ALE方法,确定最佳投掷时的攻角值。方法使用Femb前处理软件建立了标枪和空气的有限元模型;同时设置了标枪和空气的材料属性和单元属性,施加载荷、初始和边界条件,在此基础上用LS-DYNA求解器对给定出手参数的标枪进行了计算机仿真。结果给出了速度为30m/s,倾角为39°,高度为2m时,不同攻角下枪尖的水平和竖直位移。结论通过仿真,不但证明了使用ALE流固耦合方法进行标枪飞行计算机仿真是可行性的,而且出手参数的调节也容易控制;通过仿真分析,确定了30m/s和39°出手时,获得最佳投掷距离的攻角值为-3°。

标枪飞行特性计算机仿真的初步研究

使用有限元方法对标枪的飞行特性进行了计算机仿真研究,用常规方法测量了皇冠牌标枪的几何尺寸,使用Femb前处理软件建立了标枪的有限元模型,并设置了标枪模型的材料和单元属性,然后施加载荷和初始条件,在此基础上用LS DYNA求解器对给定出手参数且无空气阻力的标枪进行飞行特性的计算机仿真。通过仿真,证明使用这种方法来研究标枪的飞行特性不仅是可行的,而且参数调节的可控制性比较强。

人体下肢运动摄影及其运动学数据的确定

采用运动摄影的方法,确定人体下肢在平地行走、下蹲和起立以及上楼梯等运动的运动学数据,并对其进行比较分析。通过对采集的图像序列进行分析和处理,获得了人体下肢标志点在不同运动下的运动学数据。在上楼梯时膝关节的屈膝角变化范围较窄,但变化速度较快;而在平地行走时屈膝角逐步增大,但变化相对比较平缓,故上楼梯更易导致膝关节损伤。在下蹲的过程中,屈膝角随下蹲而逐渐变化,而起立时则和下蹲过程相反。该方法可以简单而快速地确定人体的运动学数据,可为人体运动的计算机模拟和分析提供运动学数据,也可为临床运动相关疾病的诊断和运动康复训练提供参考依据。

人体上肢两刚体系统动力学方程的数值求解

目的 1研究对所建立的简化人体上肢两刚体系统动力学方程,以旋内外等简单运动为例,进行数值求解的问题;2研究能否通过确定人体上肢的运动参数(角度和位移)来计算出肌肉施加于骨骼上力的可行性.方法 使用Mathematica符号推导和计算软件,参考有关人体上肢运动参数的文献,在已知运动参数求主动力和已知主动力求运动参数这两种情况下,对前述的方程进行了求解.结果 通过计算把已知的运动参数代入方程求主动力和把求出的主动力作为已知参数再求解运动参数,并对比上述两种情况下相同的参数,得到该方程可解;已知主动力求得的运动参数(Cardan角)也与给出的参数相一致;发现在已知主动力求解时会出现奇点的现象.结论 使用Mathematica可以解决关于人体上肢两刚体系统的动力学方程的数值求解的问题;通过确定人体上肢的运动参数来预测肌肉施加于骨骼上力是可行的;对于奇点现象,求解时可选择适当的区间.

人体上肢的ADAMS建模及仿真

目的 通过对人体上肢生理结构及其运动特征的分析研究 ,对上肢结构进行适当的简化 ,建立一个两刚体的运动系统 ,分析上肢的运动。方法 运用ADAMS仿真软件 ,将上臂和前臂的骨骼简化为两刚体 ,上臂和躯干间的连结简化为球铰 ,上臂和前臂间的连结简化为合页铰 ,肌肉的作用简化为作用于其质心处的力 ,建立上肢的运动模型 ,并对旋内外、展收和屈伸三种简单运动进行仿真模拟。结果 模型仿真的结果与上肢的实际运动情形相一致。结论 使用ADAMS可以很好的建立人体上肢的运动模型 。

大学物理教学培养学生工程意识的研究与实践

为了适应新世纪对人才科学素质的要求,以教育部提出的"卓越工程师教育培养计划"为契机,本文阐述了在工科院校大学物理课程中培养学生"工程意识"的意义、理念、方法和途径.

日常运动时内翻人工膝关节接触压力的有限元分析

为了研究内翻对人工膝关节接触压力的影响,建立了符合国人解剖特征的人工膝关节三维有限元模型,进行了不同运动和载荷作用下,对线一致与内翻5°时人工膝关节接触压力分布的有限元分析,并进行了对比分析。结果表明,对线一致时,国产人工膝关节接触压力值适中,接触区域均匀、对称,可以满足要求;而内翻5°时,接触压力峰值急剧增大,接触区域主要出现在各组件的内侧且明显减小,容易出现应力集中的情形。因此,在临床置换手术中应极力避免内翻5°以上这种对线不齐状态的出现。

简化的人体上肢两刚体系统动力学方程的推导

通过对人体上肢解剖结构的分析研究 ,把上肢骨骼结构简化为两刚体的运动系统 ,将肱骨和躯干的连结简化为球铰 ,前臂和肱骨的连结简化为转动副 ,形成一个 4自由度的两刚体系统。运用多刚体动力学理论 ,以卡尔登角作为广义坐标 。

单手操作手机时常见拇指动作关节角度与接触力测量和分析

目的研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学生志愿者单手操作手机时拇指关节角度和指尖接触力,并对人体参数、关节角度和接触力进行统计学多因素相关性分析。结果通过仪器测量得到单手手机操作时上滑、顺时针转、右点、左点、左滑等动作的关节角度与接触力;统计分析表明,手长、拇指总长对各关节角度均值和最大接触力有显著影响(P<0.05),且手长与掌指关节角度均值、最大接触力基本呈负相关。结论减小拇指运动幅度避免拇指过伸或过屈,或减少使用手机的频率,或减少操作手机的作用力,可以一定程度上减少拇指屈肌腱和腱鞘与骨纤维管道的摩擦力以及相互之间的挤压力,从而可以减少拇指狭窄性腱鞘炎的形成。

一台摄影机和平面镜拍摄三维空间运动的研究

分析了使用一台摄影机和一个平面镜拍摄三维空间运动的可行性,首先,提出了几种拍摄方案,并对各方案进行了实用性分析,选取了其中一种方案进行理论与实际对照研究;其次,使用DLT方法,给出了空间点的坐标和拍摄底片上的二维坐标间的变换关系;再次,用数码相机进行了小范围的实例拍摄,并使用Mathematica软件编程,解析出拍摄对象的三维坐标;通过对比计算结果和空间点的实际位置,证明此方法是可行的,且相对误差小于5%.

考虑空气阻力时标枪最佳出手角度研究

对考虑空气阻力时标枪的最佳出手角进行计算机仿真研究。通过刚体理论,推导了考虑空气阻力时标枪的动力学方程组,并在不同出手参数组合的情况下对标枪的出手角进行计算和分析。采用文献中的有关标枪的几何和物理参数,使用Mathematica数学软件进行方程的推导和数值计算。通过计算,得到标枪的初始攻角和俯仰角速度对出手角度选择的影响较显著。若无初始俯仰角速度时,最好的出手角度范围为37°~43°,其中42°最佳;最好的出手范围为39°~44°,其中43°最佳;攻角的适宜值为-9°~0°,初始俯仰角速度的适宜值为-12°/s^-6°/s。

侧向撞击时肩部有限元分析

针对现实生活中易发的肩部侧向撞击损伤,探讨肩部在3.5m/s侧向撞击下的力学响应,根据应力分布对损伤易发部位进行预测。基于逆向工程原理,构建了包括骨骼、韧带、软骨、肌肉等组织的人体肩关节有限元模型;在保证计算时间的情况下,尽量增加网格的数量,保证结果的精度和准确性。施加静态横向载荷,给出位移变化情况,通过与前人实验数据对比,验证了模型的有效性。结果表明,所建模型静载位移跟尸体实验数据趋势基本吻合,侧向撞击中Von Mises应力峰值为70.12MPa,损伤可能性按照肩胛颈、肱骨头、肱骨颈、锁骨下表面的顺序依次降低,在肩部侧向碰撞的预防和救治中要首先考虑这些位置的损伤并做好相应的保护固定措施。

不同类型踝关节护具对蹦床运动起跳动作的生物力学研究

目的:本文通过比较不同类型踝关节护具对人体脚踝的影响,选出较为合适的护具,以达到有效预防踝关节损伤和提高运动成绩的目的。方法:选取体育学院在校大学生10名,分别穿戴三种不同类型的护具:肌内效贴、绷带和护踝,在蹦床网面上做垂直起跳动作,对照组为光脚组。通过Vicon2.1动作捕捉系统和肌肉电信号测试仪对受试者运动下肢进行同步测量,采用重复性方差检验,得到穿戴不同护具时受试者下肢及脚踝关键部位的运动学参数以及下肢肌肉的运动特点。结果表明:通过表面肌电信号的积分肌电值,分析得到受试者在蹦床运动的踩网阶段,股内侧(701.1)、腓肠肌内侧(619.19)和胫骨前肌(561.34)较为明显;从十名受试者的肌肉输入贡献率来看贴扎肌内效贴时最大,其次穿戴是护踝,然后是缠绕绷带,最后是光脚时。三种不同类型护具跳跃时下肢肌肉均有显著影响(p<0.05),其中肌内效贴最为明显。对受试者垂直跳跃的运动学实验数据比对经过重复性方差检验结果为:膝关节最大角度屈伸变化量中,绷带组显著大于光脚组(P<0.05),肌内效贴和护踝组并未达显著差异(P>0.05);在踝关节最大角度变化量上,肌内效贴组显著小于无贴扎组(P<0.05)。结论:蹦床运动时,出于对人体脚踝的保护作用,使用肌内效贴护具效果最好,能更好地控制踝关节屈伸角度和预防其损伤,此外蹦床运动员训练时可安排股内侧肌、腓肠肌内侧和胫骨前肌的强化训练,从而提高踩网力度,得到更高的腾空高度,取得更加优异的成绩。

人体脊柱后凸矫形力的测试分析

临床对于矫正轻度脊柱后凸的非手术方法大多是佩戴脊柱后凸矫形器,其通过对脊柱后凸起施加垂直于脊柱的向前的矫形力,该力由矫形器的肩带作用于肩部而产生。采用摄影的方法对脊柱后凸矫形过程中人体颈椎和胸椎段的标志点运动学数据进行记录;通过试验机提供垂直于脊柱沿矢状面方向向后的矫形拉力并记录;利用Image J图像处理软件对采集的图像序列进行非线性拟合分析,量化脊柱后凸的有效矫形力与矫形角度的对应关系;最终得到考虑性别、身高、身体质量指数、上半身长/身高、外肩宽、坐高、坐肩高/坐高等因素在内的矫形角度与对应的矫形力计算的通用公式。结果表明:矫形力与矫形角度函数关系可用三次函数表示,回归系数R2均大于0.99;将身高、体重等个体化因素数据考虑在内的拟合回归方程的P值均小于0.05,拟合方程显著性良好;且拟合的矫形通用公式可适用于根据身高、体重等尺度结合矫形度数初步计算所需矫形力大小。

操作鼠标时鼠标和腕部接触压力的TekScan测量

目的研究不同鼠标操作时鼠标和腕部与桌面之间接触压力分布特征,探讨操作鼠标时桌面对鼠标和腕部的影响,获得导致手及腕部肌肉骨骼不适的生物力学依据。方法使用激光扫描仪和TekScan压力测量系统,测量不同鼠标操作时鼠标和腕部的接触面积和接触压力。结果测量得到了鼠标和腕部与桌面的接触压力、接触面积和接触力随时间的变化关系以及接触压力峰值。在单击左、右键和滚动中键时鼠标的接触压力峰值分别为62.87、33.83、74.66 kPa,而腕部为击键过程的最小值,分别为23.25、11.02、16.26 kPa。结论在操作鼠标过程中,由于大、小鱼际以及腕部的尺侧和桡侧区域一直受到持续的压力作用,重复持续的鼠标操作会导致腕管综合症等肌肉骨骼不适症的发生。

手、腕部运动姿势和角度的改变对腕管及正中神经影响的生物力学分析

目的采用人体表面肌电结合运动学,形态学等方法探讨日常活动时腕关节、手指活动姿势和角度的改变对手、腕部肌肉及正中神经的影响。方法选择健康志愿者10例,获取最大背伸位、最大屈曲位时MRI图像是数据,观察正中神经变化,测量横截面积、周长、圆度等形态学指标;应用8通道表面肌电和Vicon三维运动捕捉系统对腕部多种日常活动同步采集。

正常和椎间盘退变兔腰椎椎体终板生物力学性能研究

目的通过正常和椎间盘退变的兔腰椎椎体骨性终板的压痕实验,分析兔椎体骨性终板各区域的力学性能,探究椎间盘退变对终板力学性能的影响。方法选取成年新西兰大白兔为实验对象,分为正常组和椎间盘退变组,退变组进行直立体位下无创轴向加载,建立椎间盘退变模型,造模周期两个月;之后进行形态学观测,空气栓塞致死,解剖获得腰椎椎体;取包含椎体骨性终板在内的厚约3 mm骨组织,选取骨性终板前、中、后,左前、左后、右前、右后7个区域。

基于表面肌电信号的手势识别与分析

目的研究利用前臂及手部表面肌电(surface electromyography,sEMG)信号进行手势识别的方法,以及不同手势下拇指、食指的关节角度,探讨sEMG信号控制外骨骼手的可行性。方法采集20名健康右利手受试者右侧前臂及手部6块肌肉sEMG信号。提取sEMG信号的时域特征值,对比人工神经网络(artificial neural network,ANN)、K⁃近邻(K⁃nearest neighbor,KNN)、决策树(decision tree,DT)、随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)等多种分类器对6种日常手势进行识别。同时,采用Vicon摄像机跟踪系统捕捉右手拇指、食指运动轨迹,计算拇指、食指关节角度。结果利用前臂及手部sEMG信号可以实现6种手势的模式识别,其中ANN分类器的分类预测效果最好,测试集预测精度可达97.9%,Kappa系数可达0.975。同时,计算得到不同手势下拇指、食指的关节角度,并进行不同手势下关节角度相关性分析。结论利用前臂及手部sEMG信号进行手势识别,能够实现具有几乎完全一致的分类预测结果。研究结果证明了sEMG信号手势识别应用于外骨骼手控制的可行性。