基于骨肌模型的肌肉力计算方法及其面临的若干问题

肌肉力计算已经成为骨肌损伤防护、关节假体设计等研究的重要组成部分,目前基于骨肌系统模型的肌肉力计算方法有:静态优化、动态优化以及基于力-肌电关系的肌肉力计算。本文分析了肌肉力计算方法和骨肌系统建模的研究现状以及面临的若干问题。个性化建模、计算方法的改进和计算结果的实验验证将是今后的研究重点。

基于nmsBuilder和OpenSim建立个性化骨肌模型及其验证

目的 利用nms Builder和Open Sim两款软件构建个性化全膝关节置换(total knee replacement,TKR)术后骨骼肌肉多体动力学模型,并用弹跳式和内推式两种步态对构建模型进行验证分析。方法 利用患者骨骼数据,通过nms Builder建立骨骼实体、骨标点和肌肉标点,从而自动生成对应参考系统和肌肉,将nms Builder生成的骨肌模型导入Open Sim先后执行逆向运动学、静态优化和膝关节接触力分析,最后通过弹跳式和内推式两种步态对模型进行模拟分析,并与实验测量值进行对比验证。结果 除了外侧关节接触力,模型预测的胫股关节接触力幅值和趋势与实验获得数据对比有很好的一致性,构建的骨骼肌肉多体动力学模型可以被用于膝关节研究。结论 利用患者骨骼信息建立的骨肌模型通过输入标记点位置和地面反作用力,可以同时预测出内侧、外侧以及总胫股关节接触力。研究思路可为TKR患者设计个性化膝关节假体提供参考。

利用RGB-D数据驱动的骨肌模型预测膝关节接触力

目的利用RGB-D数据驱动骨肌模型来预测受试者步行时的膝关节接触力,并验证其准确性。方法首先,利用Kinect和Qualisys运动捕捉系统(参照标准)同步采集了6名受试者的运动轨迹数据;然后,利用运动轨迹数据和地面反作用力数据分别驱动校准后的骨骼肌肉模型,通过模型的逆向动力学分析功能实现了膝关节接触力的预测;最后,利用均方根误差(δRMSE)和皮尔逊相关系数(ρ)对两种方法的预测结果进行了对比验证。结果和参照方法相比,RGB-D数据驱动的骨肌模型能准确预测受试者步行时的膝关节接触力(δRMSE=77.1;ρ=0.970)。结论RGB-D数据驱动的骨肌模型能够精准预测膝关节接触力,可作为一种更好的替代方法在临床上应用。

个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的适用性评估

为实现个体化全膝关节置换骨肌多体动力学模型的广泛临床应用,在AnyBody生物力学建模软件中对近四届膝关节挑战赛公开数据集中的4位膝关节置换患者建立了个体化全膝关节置换骨肌模型,对每位患者的下蹲和坐立运动进行模拟仿真,通过对比模型预测结果与实验测量数据之间的差异,评估所建模型对膝关节假体接触力的预测精度以及模型在不同患者下蹲和坐立运动形式中的适用性。结果表明,与实验测量数据相比,所建骨肌模型预测的胫股关节假体接触力的均方根误差和相关系数的范围分别为67~336 N和0.55~0.98,模型在不同患者的下蹲和坐立运动形式中均表现出较高的预测精度和良好的适用性。

基于关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换方法

目的运动状态下对人体骨肌系统进行运动学及动力学分析时,应避免对人体造成伤害。本研究通过尸体切片、CT或者MRI图像重建等方法构建静态骨肌模型,并将其应用于活体进行分析。方法采用尸体切片数据重建下肢的三维骨肌模型,并对此骨肌模型及活体下肢建立统一规则的关节坐标系,详细描述人体骨肌系统模型和活体上相关肌肉骨骼间附着点空间坐标值转换。结果对研究对象膝关节屈曲运动中股二头肌短头力臂及长度进行计算和分析。结论该方法对提高人体运动学和动力学仿真及肌肉力预测具有重要意义。

车辆驾乘人员不同坐姿时腰腹部骨肌力学特性分析

针对车辆驾驶员与乘员的不同人体坐姿引发的骨肌生物力学特性,基于人体骨肌力学软件分别建立了描述驾驶员操纵坐姿和副驾驶位置乘员自然坐姿的人体坐姿骨肌力学模型,并通过调整座椅靠背角度参数,分析了车辆驾乘人员腰腹部不同肌肉和骨骼的受力变化,为车用座椅人性化设计和准确定位测试驾乘人员坐姿的主要工作肌群和主要承力骨骼提供了定量化设计依据。

考虑肌肉因素的腰椎力学计算方法

背景:椎旁肌肉对于维持脊柱平衡起着至关重要的作用,骨肌有限元模型更加接近人体生物力学环境,但目前脊柱有限元分析中肌肉建模比较复杂或将肌肉力简化处理。目的:对椎旁肌模型进行快速建立,并进行肌肉力的加载分析。方法:基于逆向工程原理,通过CT图像数据进行脊柱模型的三维重建,对竖脊肌中的腰部最长肌及韧带通过弹性模量、肌肉生理横截面积及肌线平均长度进行弹簧刚度的计算,通过上下附着点进行肌肉建模;对建立的有限元模型进行生物力学验证,施加4 N·m的弯矩模拟腰椎进行前屈后伸、左右侧弯、左右旋转。结果与结论:①生物力学验证表明腰椎L_(4)-L_(5)在受轴向载荷作用下表现出弹性性质;②通过对腰椎进行前屈后伸、左右侧弯、左右旋转分析,证实建立了符合腰椎活动度的骨肌有限元模型;③带肌肉组织的腰椎有限元模型建模简单且符合人体生物力学特性,可为接下来分析脊柱在矫形力加载下的变化提供参考。

基于反向动力学的人体肌肉力预测平台

背景:目前,国外的商业化软件主要有SIMM、Visual3-D(C-Motion公司)、Anybody(AnybodyTechnology)以及Adams(MSC软件公司),开源软件主要有OpenSim,而国内此类软件的开发比较缓慢。肌肉力预测对于研究神经肌肉协调以及分析运动项目起着非常重要的作用,同时也可以发现病态运动的来源,为康复计划提供科学依据。目的:从全新的角度,完整架构基于反向动力学的人体肌肉力预测平台。方法:详细阐述了基于优化算法的反向动力学人体肌肉力预测平台(MFE-2)的架构过程。该平台可以分析各种运动状态下肌肉力大小,以正常步态为例,分析了该运动过程中上肢主要肌肉的受力情况。结果与结论:通过对一健康人体的正常步态上肢两块典型肌肉(肱三头肌侧头和肱二头肌短头)进行分析,计算结果与相关参考文献基本一致。

全膝关节置换后肌肉强度衰减对关节接触力的影响

利用开源软件nmsBuilder和OpenSim构建的全膝关节置换后的个性化多体动力学模型,研究了正常步态下,股四头肌和腘绳肌不同程度的肌肉强度衰减对胫股关节接触力的影响。通过调整目标肌肉的最大等长力以实现肌肉强度衰减,然后对模型先后执行逆向运动学、静态优化和关节接触力分析。肌肉强度衰减分3种情况:股四头肌和腘绳肌的八块肌肉整体强度依次衰减10%,20%,30%,40%;股四头肌肌群和腘绳肌肌群分别衰减50%和100%;八块肌肉强度分别衰减100%.结果表明:对肌肉进行整体强度衰减会减小胫股关节接触力;适当对股四头肌肌群和腘绳肌肌群进行强度衰减可使胫股关节接触力增大;除了股直肌,其他单个肌肉强度衰减都会使内侧胫股关节接触力的峰值变大且直接影响膝关节假体的使用寿命。肌肉强度衰减引起内侧胫股关节接触力峰值变大可能会对膝关节造成二次损伤;在多体动力学骨肌建模中,肌肉强度衰减有利于提高关节接触力和肌肉力的预测精度。

汽车椅面倾角对驾驶员乘坐舒适性的影响分析

考虑到车用座椅椅面倾角变化对驾驶员乘坐舒适性的影响,开展了不同身材驾驶员在不同椅面倾角下的人体骨肌力学特性的仿真分析与实验测试.首先基于人体骨肌力学软件分别建立了第5,50,95百分位中国男性驾驶员在驾驶姿态下的骨肌力学模型;然后通过椅面倾角参数动态调整并结合相关性分析方法,描述了驾驶员下肢腿部不同肌肉的受力情况和激活程度;最后开展了真实驾驶员下肢肌肉肌电测试.结果表明,当座椅椅面倾角增大时,驾驶员的臀大肌、髂腰肌、半腱肌、股直肌、缝匠肌、腓肠肌、胫骨前肌肌肉激活程度较大,10°~16°为椅面倾角的理想变化区间.

飞行员推拉操纵杆动作的仿真与分析

建立飞行员骨肌模型和驾驶舱简化模型,采用控制变量法,分别以操纵杆相对驾驶员的3个坐标值为单一变量,为操纵杆设置3组7种情况.在Anybody软件中进行推拉杆动作的仿真,获取操纵杆在各个情况下的肩、肘关节力和手部受力数据,并对数据进行组内对比,得出在变量单独或单调协同作用下,各个力的值与杆相对飞行员的位置负相关,肩关节力数值最大且变化最为显著等结论.在设计飞机驾驶舱时,应在飞行员手臂的工作范围内合理增大操纵杆高度、适当远离身体放置,以减轻飞行员手臂受力.

基于骨肌建模的上肢运动肌肉力估计研究

人体运动的动力之源是肌肉力,在康复治疗中,人体肌肉力及关节力矩也是衡量人体运动功能的重要参数,这些参数的确定对人体运动康复具有重要意义,但其本身大小无法进行直接测量。文章通过对人体上肢模型简化,建立合适的数学模型,并通过逆动力学原理对上肢运动进行分析,建立针对性的骨肌系统模型仿真人体运动,计算肌肉力及关节力矩的大小,并对其进行分析。

基于优化和力—肌电关系的肌肉力混合计算方法

介绍了一种基于优化和力—肌电关系的肌肉力混合计算方法,用于计算上肢屈曲运动中的肌肉力,并与传统优化方法和基于力—肌电关系的方法进行了比较。传统优化方法不能计算对抗肌的肌力值,基于力—肌电关系的计算结果不能满足力学平衡关系,基于优化和力—肌电关系的肌肉力混合计算方法克服了这两个缺点,但计算结果波动剧烈。目前,混合方法只适用于肌肉等长收缩和等动收缩的肌肉力计算。