基于新型骨骼肌肉模型的肌肉力及损伤股骨复位力分析

机器人骨折复位通常是固定骨折近端,机器人带动骨折远端按照规划的复位路径向近端运动。为提高复位手术的精准性和安全性,有必要了解复位中肌肉力和复位力的变化规律。本文基于骨骼肌组织的肌肉力分析骨折复位力,由Haeufle四元素骨骼肌模型,综合考虑下肢羽状肌的羽状角对肌肉力特性的影响,提出一种股骨骨骼肌肉模型PA-MTM,对比分析不同肌肉模型的骨骼肌的肌肉力。对比仿真分析两种复位路径下的肌肉力及复位力变化情况。结果表明,羽状角越大对肌肉力的影响越大;股骨骨折复位,轴向牵引力最大且股二头肌短头起主要作用,轴向牵引力最大值为472.18 N,复位合力最大值为497.28 N,验证了新型骨骼肌肉模型的合理性。

关于《基于新型骨骼肌肉模型的肌肉力及损伤股骨复位力分析》的更正启事

《生物医学工程学杂志》2021年8月第38卷第4期发表了翟宇毅、于琳、陈冬冬、崔泽、雷静桃撰写的《基于新型骨骼肌肉模型的肌肉力及损伤股骨复位力分析》(DOI:10.7507/1001-5515.202009016),由于作者笔误,3.1小节第二段(第739页右栏第二行)“-8.47、3.69、2.18 rad”应为8.47、3.69、2.18°”,特此更正,并向广大读者表示诚挚的歉意!

基于肌肉的人体运动仿真研究

针对当前国内缺少满足牛顿运动定律的人体运动仿真问题,提出了基于肌肉的人体运动仿真方法。该方法首先建立了基于解剖学的人体骨骼肌肉模型,然后进行运动捕获数据与人体模型的匹配,其次构建了主要关节点的局部坐标系,接着运用多刚体运动学与动力学进行运动学及动力学参数的计算,之后施加空间力学平衡约束得到了有效的关节运动约束机制。实验结果表明,利用该算法实现的人体运动仿真真实、自然、逼真,证明了算法的有效性。

在体股后肌群最优长度的测算方法

目的建立测算在体股后肌群最优长度的方法,并与其他间接反映最优长度的指标进行对比。方法通过同步采集屈膝过程的力矩和运动学数据,建立下肢骨骼肌肉模型,获得股后肌群的力量及肌肉长度,进而计算股后肌群各肌肉的最优长度。结果最大屈膝力矩时膝屈角显著大于股后肌群最大收缩力时膝屈角,两者相关系数为0.741;股后肌群各双关节肌最优长度显著大于站立时的肌肉长度,且两者相关系数较低。结论所建在体股后肌群最优长度的测算方法,为今后明确股后肌群损伤机制和致伤危险因素的相关研究提供参考。在一定程度上,最大屈膝力矩时的膝屈角可以间接代表股后肌群最优长度。不建议将站立时股后肌群长度代替股后肌群最优长度来使用。

疾跑时股后肌群的生物力学特征——对拉伤危险时相的分析

目的:旨在通过分析疾跑过程中下肢和股后肌群的生物力学特征参数,探讨股后肌群拉伤的危险时相,进一步深入了解疾跑时股后肌群拉伤的机制。方法:有短跑训练经历的大学生男、女各20名,采集受试者疾跑时的运动学、地面反作用力和肌电数据以及10°/s的等速向心屈膝练习时的力矩和运动学数据,进而获得下肢的关节角度、净力矩、关节功率、股后肌群肌肉应变和激活特征等参数。结果:疾跑时股后肌群3块双关节肌的应变峰值出现在步态周期的90%左右。性别对疾跑时肌肉最大应变影响的主效应不显著(P=0.387),股二头肌长头(P=0.002)和半腱肌(P=0.029)的最大应变大于半膜肌。结论:疾跑时股后肌群最大应变出现在摆动阶段末期,提示,股后肌群拉伤更易发生于疾跑摆动末期。疾跑时股后肌群最大应变无性别差异。疾跑时股后肌群各肌肉最大应变不同,这可能是疾跑时各肌肉拉伤率不同的原因之一。

基于逆向动力学的点射过程人枪动态响应研究

为研究人体对典型步枪点射冲击的响应和受力特性,建立了一种典型步枪人枪骨骼肌肉模型,采用三维运动捕捉系统获取的人枪运动作为模型驱动,进行了逆向动力学求解,获得了点射过程中人体运动和动力学响应数据,揭示了点射过程中冲击在人体中的传递与变化规律。计算结果表明:整个射击过程中,关节所受冲击力为右肩大于左肩、右肘大于左肘和左腕大于右腕,脊柱各关节在前后方向上受力差异不大;按步枪射击过程后坐—复进作用循环分段,后坐过程中,关节前后方向所受冲击作用力大于左右方向,关节力矩主要为外力矩;复进过程中,关节左右方向所受冲击作用大于前后方向,左右肘以屈伸肌肉力矩来响应;并进一步给出了点射过程中人体关键部位运动与受力量值及定量变化规律。

Angle Control of a Pneumatically Driven Musculoskeletal Model Based on Coordination of Agonist-Antagonist Muscle

In recent years, researchers have been actively pursuing research into developing robots that can be useful in many fields of industry （e.g., service, medical, and aging care）. Such robots must be safe and flexible so that they can coexist with people. Pneumatic actuators are useful for achieving this goal because they are lightweight units with natural compliance. Our research focuses on joint angle control for a pneumatically driven musculoskeletal model. In such a model, we use a one-degree-of-freedom joint model and a five-fingered robot hand as test beds. These models are driven by low pressure-driven pneumatic actuators, and mimic the mechanism of the human hand and musculoskeletal structure, which has an antagonistic muscle pair for each joint. We demonstrated a biologically inspired control method using the parameters antagonistic muscle ratio and antagonistic muscle activity. The concept of the method is based on coordination of an antagonistic muscle pair using these parameters. We have investigated the validity of the proposed method both theoretically and experimentally, developed a feedback control system, and conducted joint angle control by implementing the test beds.

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。