Anybody仿真太极不同步法时股骨及下肢骨主要关节的应力特征

背景:Anybody骨肌建模系统,使用数学建模技术模拟人体骨骼、肌肉和环境的关系,可对人体的逆向动力学进行研究,得出下肢关节力等指标。目的:分析练习太极拳动作时下肢骨主要关节的应力分布规律,为其科学训练和锻炼价值提供依据。方法:在北京体育大学武术学院选取8名太极拳健将级运动员进行7组步法动作和右腿股骨CT的数据采集。使用BTS红外捕捉系统、Kistler三维测力台采集太极(八法五步)7组步法动作的运动和力学数据,利用Anybody 7.2骨肌模型的多体动力学仿真技术计算下肢关节动力学参数,结合Workbench 19.2对股骨进行应力计算分析。结果与结论:①利用Workbench软件分析得出了7组步法动作的股骨应力结果,7组动作的应力峰值由大至小顺序是:退步捋势(22.00 MPa)、退步採势(19.379 MPa)、左右移步挤按(9.35 MPa)、左右移步肘靠(6.30 MPa)、进步掤势(4.68 MPa)、进步挒势(2.57 MPa)、中定独立势(0.31 MPa)。②在7组步法动作中2种向后退步动作股骨应力最大(P<0.05),且在7组动作运动过程中的股骨最大应力位置均不同。③上述结果证实,在太极(八法五步)7种步法动作练习时,股骨应力阈值和最大应力位置会随着5种方向(7组动作)运动不同而变化,通过连续训练能够全面地刺激股骨体,进步动作对于股骨体正面和外侧上端影响较大,退步动作对股骨体后面和内侧影响较大,左右横向步法动作主要是股骨体两侧对称受力。④初学者要根据不同步法动作的受力特点来进行针对训练,进步动作和退步动作训练时要注重太极拳的旋转用力以及左右横移步法动作训练时的内侧对抗用力,根据自身薄弱问题,对太极拳训练步法有所侧重,进而达到更好的锻炼效果。

基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展

由于现代生活方式的改变与人口老龄化,近年来脊柱疾病发病率急剧升高。生物力学研究是评估脊柱相关疾病的重要内容,通过建模仿真的方法探究脊柱生物力学一直是重要的手段之一。目前,结合肌骨模型与有限元的方法成为脊柱生物力学的研究热点,因此,本研究对国内外使用肌骨模型与有限元相结合的方法探究脊柱生物力学特征的文章进行调研,系统阐述了该方法在脊柱相关疾病方面的临床应用进展,总结基于这种方法的建模方式,包括加载方法、杨氏模量、泊松比等参数设置,以及使用该方法在脊柱相关疾病上的评估应用。结果表明:基于肌骨动力学与有限元的方法,对探究人体在体运动时脊柱组织层面的应力应变、椎间盘内压力(intervertebral disc pressure, IDP)等情况,提供了一种多尺度评估方法,但该种方法目前存在模型构建时间长、研究动作单一、需要验证模型有效性不足等问题,是未来脊柱生物力学领域研究需要研究的方向。

人工颞下颌关节窝假体固定的有限元研究

以一款标准型人工颞下颌关节假体为对象,建立下颌骨骨肌模型,计算获得颞下颌假体关节载荷力,然后基于骨肌模型建立有限元接触力学模型,对关节窝假体进行界面力学分析,揭示可能影响假体固定的主要因素。结果表明,关节窝整体固定能够满足所需的机械强度,当骨质较弱时会产生较大的骨应变,从而影响假体的固定。研究成果不仅能为关节窝假体设计提供分析方法及理论依据,还能为颞下颌关节置换术的固定技术提供参考依据。

单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型的建立

目的:运用有限元方法建立单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型。方法:将CT数据文件(DICOM文件),经Simpleware软件进行三维重建处理得到股骨及外固定架的三维几何模型。从Anybody软件中建立正常人体股骨模型,并与股骨外固定架模型(stl几何模型)一同导入Geomagic Studio软件中,将两组模型进行比对配准,将外固定架模型的位置调到与Anybody模型的位置一致。将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中。通过Simpleware得到的网格模型(inp格式)导入到Abaqus软件中,同时在模型中给各部分赋予不同的弹性模量。结果:通过几何模型生成、网格划分、几何模型配准、股骨肌肉力的提取及不同弹性模量的赋予,建立了完整的单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型。结论:相比传统的有限元模型,本模型的分析结果将更加真实可靠,为中医"筋骨"作用机制理论研究提供理论支撑。

肌骨系统生物力学建模2021年研究进展

肌骨系统生物力学模型具有精确的人体解剖结构和良好的生物逼真度,能够较为精准有效地描述肌骨生物力学状态、预测肌骨内部力学响应,故被广泛应用于人体肌骨系统生物力学研究、骨科疾病诊断和治疗、植入体优化设计及术前规划。2021年国内外关于肌骨系统生物力学建模方法的最新进展主要体现在个体化有限元建模、统计模型建模和肌骨系统建模3个方面。基于此,本文结合最新相关文献,总结上述建模方法的研究进展和主要应用,并探讨肌骨建模未来的发展方向。

股骨粗隆间骨折术后步行状态的生物力学特性

目的:研究单臂外固定架治疗股骨粗隆间骨折术后步行状态的生物力学特性。方法:将CT数据文件经Simpleware软件进行三维重建处理,得到股骨及外固定架的三维几何模型。在Anybody软件中建立正常人体股骨模型,并与股骨外固定架模型(stl几何模型)一同导入Geomagic Studio软件中,将两组模型进行比对配准。将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中,通过Simpleware得到的网格模型(inp格式)导入到Abaqus软件中,分析1个步态周期的应力分布情况。结果:以左侧为例,术后在行走过程中较大应力发生在不锈钢钉与股骨的连接处以及不锈钢钉与固定架的连接处,整体未见明显应力集中现象,在典型步态右足趾离地和左全足底着地中产生较大应力,在左足跟着地、右足跟着地产生一定应力集中现象,左足趾离地时应力最小。结论:单臂外固定架治疗股骨粗隆间骨折,安全、有效,符合人体步行状态的生物力学要求。

不同负重方式对腰椎生物力学的影响

目的结合骨骼肌肉模型及腰椎有限元模型研究直立状态下不同背包方式对椎旁肌收缩和腰椎各节段椎间盘应力分布的影响。方法建立无负重和使用双肩包、单肩包和手提包的4种骨骼肌肉模型以及腰椎的有限元模型。使用骨骼肌肉模型分析站立位下使用3种负重方式时的肌肉收缩力和腰椎椎间压力,并将其施加在腰椎有限元模型中来分析腰椎椎体、间盘和韧带的应力分布。结果与无负重模型相比,双肩包、单肩包和手提包的平均椎旁肌收缩力增加了31.0%、43.4%和105.1%。双肩包模型的椎旁肌收缩力左右均衡,单肩包模型中负重侧的总体椎旁肌收缩力较大,而在手提包模型中非负重侧的椎旁肌收缩力较大。多裂肌在不同负重条件下的收缩力均有统计学差异(P<0.05)。与无负重模型相比,双肩包、单肩包和手提包模型中T12~S1平均椎间压力分别增加了37%、45%和64%。双肩包、单肩包及手提包模型的椎体平均峰值应力分别增加了71.6%、122.3%和146.6%。双肩包、单肩包及手提包模型的纤维环峰值应力分别增加了155.6%、183.4%、195.8%;髓核峰值应力分别增加了95.2%、146.9%、161.5%。结论左右平衡的负重方式对肌肉和腰椎间盘的产生负荷最小。当使用非平衡负重方式时,肌肉的收缩使得躯体保持平衡,但同时也使得腰椎应力增加。

股骨粗隆间骨折单臂外固定术后站立状态肌骨有限元模型的建立及其应力分析

目的:研究股骨粗隆间骨折单臂外固定术后站立状态的生物力学特性,为临床治疗提供理论依据。方法:将CT数据文件经Simpleware软件进行三维重建处理得到股骨及外固定架的三维几何模型。在Anybody软件中建立正常人体股骨模型,并与股骨外固定架模型(stl几何模型)一同导入Geomagic Studio软件中,将两组模型进行比对配准,将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中,通过Simpleware得到的网格模型(inp格式)导入到Abaqus软件中,分析站立状态的应力分布情况。结果:在不锈钢钉与股骨的连接处以及不锈钢钉与固定架的连接处产生较大应力,整体未出现明显应力集中现象。结论:单臂外固定架治疗股骨粗隆间骨折安全、有效,其治疗骨折符合中医伤科"筋骨并重"理论,符合生物力学要求。