基于AnyBody仿真的八段锦动作下肢生物力学特征研究

为揭示八段锦初学者练习14周前后和专业者八式动作的不同动作特征,以红外捕捉测试系统、三维测力台、表面肌电测试系统,采集八段锦动作数据,以AnyBody 7.0建模系统计算八段锦动作的膝关节动力学、肌肉激活度参数。结果表明:八段锦干预可改善膝关节力量和稳定程度;不同动作的肌纤维参与活动收缩情况不同,产生的肌肉激活度不同,胫骨前肌、股直肌、腓肠肌、股二头肌分别在第二式、第三式、第五式、第七式时的肌肉激活度最高;初学者可针对不同动作影响刺激的肌肉,有针对性的区分练习,提高八段锦锻炼的科学性。研究成果证实了八段锦不同动作的膝关节动力学差异,计算出不同肌肉激活度特点,对指导初学者练习八段锦具有重要的意义。

基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真

为了更好地了解汽车驾驶时人体腿部肌骨的受力状况,建立了腿部肌骨模型并进行了生物力学分析。结合人机工程学相关知识和驾驶室内人体腿部的空间几何关系,利用AnyBody Modeling System软件建立了人体腿部的肌骨模型,对正常行驶过程中踩踏油门踏板的实例进行了腿部逆向动力学仿真,并分析了腿部肌肉活动状态以及关节节点力。仿真结果表明,负载较大的股外侧肌、股内侧肌、股中间肌以及股直肌的激活度均在20%以内,趾骨节点处负载最大为346.43 N,为确定合理的踏板操纵力提供了依据。

基于Anybody的自行车骑行运动仿真与试验分析

以人体肌肉疲劳程度为评价标准,基于人体生理学、人机工程学和仿真试验技术,研究一种自行车结构参数设计的有效方法。以某自行车厂生产的一款公路自行车为例,在Anybody生物力学软件环境下建立人-车耦合系统模型;通过肌电信号试验及心肺功能测试,对人-车耦合系统模型进行了试验验证,确保仿真系统可靠;借助验证后的仿真系统进行了一系列仿真试验,以人体下肢肌肉受力为主要研究对象,分析了相同骑行速度、负载下鞍座位置与人体肌肉受力之间的映射关系。结果表明:对于同一骑行者,自行车鞍座位置对于其肌肉受力值的影响很大,即对其疲劳程度影响很大。分析方法与结果为自行车车架结构设计提供了依据,为自行车设计提供了新思路。

基于AnyBody的髋关节康复训练肌肉力的分析

应用AnyBody软件的AnyScript编程语言建立了完整的人体模型,并且将髋关节康复器械的三维实体模型导入AnyBody中,创建了人体和髋关节康复器械的整体模型,对整体模型进行逆向动力学仿真和肌肉力分析,得到使用髋关节康复器械时髋关节肌肉群肌肉的受力情况和肌肉的活动度.以人体的髂腰肌为例进行分析,获得了髋关节屈曲训练时髂腰肌的受力和收缩情况,受力和收缩在合理范围内,不会造成肌肉拉伤,说明髋关节康复器械能够使髋关节肌肉群的肌肉功能得到有效的康复训练.

基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性

背景:Anybody人体建模仿真系统是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件,并且是目前惟一可以分析完整骨骼肌肉系统的软件,利用它可以计算模型中骨骼、肌肉、关节的受力变形。目的:实验旨在通过计算模型观察手指在冷水刺激环境下食指的灵活性。方法:参照以往人食指运动实验结果,获得人食指弯曲的运动学参数,利用Anybody软件平台构建正常人手部握拳运动学模型,并进一步构建了包含两根外屈肌(指浅屈肌和指深屈肌)的骨骼肌肉模型,通过逆向动力学分析,考察受冷水刺激前后手部握拳运动时肌肉力和收缩功率等的变化。结果与结论:冷水刺激后,食指各关节在屈伸过程中的平均角速度较冷水刺激前变小,指浅屈肌的肌肉力变化幅值也较冷水刺激前增大;指深屈肌的收缩功率下降明显,而指浅屈肌收缩功率变化不大。结果证实,冷水刺激会使正常人手握拳动作变慢,且正常人手的指浅屈肌对冷水刺激更敏感,进一步说明指浅屈肌在握拳动作中的重要性。

基于Anybody的足球运动员大角度侧切下肢生物力学仿真分析

目的:对足球运动员大角度(135°、180°)侧切下肢运动学、动力学、肌肉活动度以及肌肉受力进行分析,探讨大角度侧切下肢膝关节损伤风险,通过比较不同角度侧切生物力学特征,为足球侧切防伤训练方案的制定提供理论依据。方法:招募12名男性足球二级运动员,运用Vicon三维动作捕捉系统、Kistler三维测力台同步采集受试者135°、180°侧切的下肢运动学、动力学数据。通过Anybody逆动力学计算,获取并分析膝关节力矩以及下肢主要肌群肌肉活动度和肌肉受力,同时采用Noraxon表面肌电同步采集运动过程中电生理学数据,以验证模型的有效性。结果:(1)135°、180°侧切肌肉活性仿真结果与表面肌电肌肉活性具有高度相关性(R>0.75)。(2)与135°侧切相比,180°侧切膝关节屈曲触地时刻(initial contact,IC)角变大,膝关节屈曲最大角变大(P<0.05);髋关节屈曲/伸展IC角、内旋/外旋IC角变小(P<0.05);髋关节外展/内收IC角无显著性差异(P>0.05);180°和135°侧切踝关节跖屈/背伸IC角无显著性差异(P>0.05);与135°侧切相比,180°侧切完成时间增加(P<0.05)。(3)与135°侧切相比,180°侧切水平地面反作用力(HGRF)峰值变大(P<0.05),垂直地面反作用力(VGRF)峰值无显著性差异,膝关节内/外翻力矩峰值和伸/屈膝力矩峰值无显著性差异;与135°侧切相比,180°侧切内/外旋力矩峰值减小(P<0.05)。(4)135°侧切与180°侧切腓肠肌外侧头、胫骨前肌、腓骨短肌、股外侧肌、半腱肌、阔筋膜张肌肌肉活动度均超过1;与135°侧切相比,180°侧切腓骨短肌、梨状肌肌肉活动度降低,且梨状肌肌肉活动度小于1(P<0.05),缝匠肌、长收肌肌肉活动度增高,但并未超过1;两种角度侧切时下肢相关肌肉除股二头肌长头和大收肌受力有显著性差异外,其他肌肉受力无显著性差异。结论:运用Anybody仿真分析侧切可行、有效;随着侧切角度增大,人体需要更长的缓冲时间、更大的屈膝角度以吸收冲击。大角度侧切属于高损伤风险动作,其易损伤肌肉为腓肠肌外侧头、胫骨前肌、腓骨短肌、股外侧肌、半腱肌、阔筋膜张肌,进行足球防伤训练时应重点加强。

基于AnyBody仿真的太极拳不同步型特征

目的对比太极拳初学者和专业者不同步型的下肢运动学、动力学、肌肉力参数差异,为太极拳科学化及制定运动处方提供依据。方法以练习时长超过3年的30名太极拳练习者为专业组,30名无太极拳经历初学者作为对照组。用BTS红外捕捉系统、Kistler三维测力台采集太极拳动作数据,以AnyBody 7.0建模仿真系统计算运动学、动力学、肌力参数。结果专业组独立步膝关节屈伸角度、膝关节X轴受力明显大于对照组(P<0.01)。弓步、虚步、开立步、马步、仆步、独立步中,专业组下肢肌力均为大于对照组。专业组马步半膜肌、半腱肌、股二头肌肌力大于对照组(P<0.05),专业组仆步臀大肌、臀中肌、臀小肌、阔筋膜张肌、股外侧肌、股二头肌肌力大于对照组(P<0.05),独立步股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、胫骨前肌肌力大于对照组(P<0.05)。结论太极拳练习时,膝关节为主要发力关节,专业者下肢用力明显大于初学者。独立步对髋关节影响较大,弓步、仆步对膝关节影响较大。不同水平太极拳练习者对下肢肌肉的激活程度不同,初学者练习时要针对不同动作影响刺激的肌肉,有针对性地区分练习,进而促进下肢肌肉协同用力。

基于AnyBody仿真及有限元建模下的八段锦运动生物力学研究

以AnyBody仿真骨骼肌多体逆向动力学三元素肌肉收缩力模型及有限元法构建八段锦动作的三维胫骨模型,全面、客观地计算不同动作最大肌力峰值时刻的积分肌电、力矩、肌肉收缩等生物力学特性.将10例健康青年八段锦志愿者的身高、体质量、髋宽、髋深、膝宽、踝宽等形态学数据作为约束条件,用AnyBody7.1.2软件导出八段锦8个动作下肢最大肌力指标,依据胫骨最大应力约束条件,用Minics 10.01、Geomagic studio 2013、ANSYS 19.2软件建构三维数据,添加AnyBody中的3个方向数据,分析并计算不同动作最大力的应力传导大小、分布规律.研究结果表明:八段锦是左右对称性运动,双侧同块肌肉积分肌电值、肌肉力值无显著性差异,有利于锻炼双下肢稳定性及协调性,运动中人体需要通过移动来保持平衡,膝关节在垂直轴方向力最大,伸展力矩值最大;做八段锦运动过程中,髋关节主导发力肌肉为臀中肌,膝关节主导发力肌肉为比目鱼肌、股外侧肌、腓肠肌,踝关节主导发力肌肉为拇长屈肌;表面肌电验证是评价人体肌肉激活程度的主要方式,八段锦运动中胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、股二头肌的肌肉活性仿真结果与积分肌电值具有较高的一致性.以AnyBody软件分析下肢动作特征和有限元软件建构的胫骨模型,适用于八段锦动作的动态研究,可为计算八段锦运动时动力学变化提供新思路与实践价值参考.

AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究

为了分析人体步态运动中包含肌骨系统的下肢动力学特性,基于生物力学分析软件AnyBody建立一种包含肌骨系统的下肢运动模型。利用逆向动力学,在下肢运动关节等处设置运动控制点,以运动控制点三维坐标和地面支反力为驱动,完成了人体的正常步态仿真,得到了人体正常步态下的踝关节和膝关节的角度、力矩的变化曲线,分析了关节力矩与角度变化之间的关系;给出了比目鱼肌、缝匠肌、胫骨后肌和胫骨前肌在步态周期内的肌肉力和活性变化曲线,讨论了肌肉力和肌肉活性之间的关系。

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。

基于表面肌电信号及肌肉疲劳的上肢肌力预测

为解决目前肌肉力测量时用肢体末端力表示实际肌肉力大小,以及未将肌肉疲劳程度考虑在内的问题,本文提出了一种基于表面肌电信号和肌肉疲劳的上肢肌肉力预测方法。利用AnyBody软件建立上肢肌肉骨骼模型,并将上肢末端力经过仿真得到单块肌肉的肌力大小;采用肌肉等长收缩的时间来表征肌肉疲劳程度。10名健康男性受试者进行上肢等长收缩实验,提取实验过程中肱二头肌肌电信号的积分肌电值、均方根、中值频率、平均功率频率、最大小波系数及其对应频率六个特征值;将肌肉力与特征值、肌肉疲劳程度进行分析后发现三者之间高度相关。采用麻雀搜索算法优化BP神经网络的权值和阈值,构造并训练上肢肌力预测模型。经测试集检验结果表明,该方法的误差小于12%,可以对肌力进行较为准确的预测。

基于小针刀治疗颈椎病的VR系统设计

虚拟手术可以建立一个具有视觉、触觉、听觉等多种感觉的环境,它对改变传统的医学模式和提高工作人员的专业性具有重要作用。但是其在针刀手术中应用还未普及。鉴于此,研究采用AnyBody和Hill模型对头颈椎骨肌进行多体动力学分析,并基于FDK算法实现椎间盘载荷计算。此外,为了较好地模拟颈椎颈椎软组织与针刀的交互作用过程,研究设计了一种包含图像渲染、碰撞检测的虚拟手术仿真系统。结果显示,研究所提模型在整个针刀运动过程中没有间断,且随着针刀与颈椎软组织的分离操作的结束能够减小至0。这表明该模型在分离中避免组织穿透情况效果良好。在椎间盘压力预测上,研究所提模型在前屈、后伸、侧弯以及旋转运动中产生的压力均值均在50-150N之间,这表明压力值符合日常活动压力范围。因此,研究所提模型在模拟和预测颈椎力学特征上具备有效性。

人工肌肉驱动的腰部助力器设计与仿真研究

目的为了帮助腰椎疾患、腰肌劳损、弯腰作业者,方法提出一种由McKibben型气动人工肌肉实现轻量化、柔性助力、穿戴舒适的腰部助力器,分析穿戴与未穿戴腰部助力器搬举重物时腰部主要肌群的肌肉力变化,验证腰部助力器的有效性。通过三维动作捕捉系统和三维测力系统采集受试者在搬举过程中的运动学和动力学数据,导入腰部助力器三维模型作为驱动数据,建立人体腰部骨骼肌肉生物力学模型,利用Hill型三元素肌肉模拟McKibben型气动人工肌肉,搭建人机交互模型并进行仿真分析。通过测量重物搬举过程中腰部主要肌群的肌电信号变化,对比肌电信号曲线与肌肉力曲线趋势,验证仿真分析结果的有效性。结果实验结果表明,穿戴腰部助力器运动时主要参与作用的为竖脊肌、多裂肌和腰方肌,其中竖脊肌助力效果最为显著,助力效果达到43%。结论通过进行人机交互模型的生物力学仿真,验证了搬举重物时腰部助力器的有效性,该助力器可为护理人员和物料搬运工作者提供助力。

4-6岁幼儿多任务行走的步态及下肢生物力学特征

背景:跌倒是儿童最常见的意外事件之一,其导致的伤害已成为全球性的公共卫生问题。多任务行走会增大跌倒风险,对异常儿童影响更大,而日常生活对多任务行走的需求增多。研究幼儿的多任务步态,以期为制定针对性训练与鉴别发育异常或疾病患儿提供理论基础。目的:探究多任务行走对4-6岁幼儿的步态参数及下肢动力学的影响。方法:随机选取北京市某幼儿园34名4-6岁幼儿,进行单任务行走(正常行走)、双任务行走(计算+行走)和三任务行走(携带托盘+计算+行走);使用BTS红外动作捕捉系统采集步态参数,Vixta数字录像机同步录像,通过Anybody仿真建模计算下肢动力学参数,利用重复测量方差分析比较任务差异、性别差异与交互效应。结果与结论:①双任务行走和三任务行走的标准化步速、步频、跨步长和步宽低于单任务行走;②跨步长的多任务成本随任务的增多而增大;③髋膝踝三大关节的关节反应力-步态周期图像呈现出相同的特点;④髋关节屈曲力矩平均值出现任务差异和性别差异,距下关节外翻力矩最大值出现任务×性别的交互效应;⑤缝匠肌肌力最大值出现性别差异,股薄肌、长收肌、大收肌中束、短收肌和闭孔外肌肌力最大值出现任务差异,闭孔内肌肌力最大值出现性别×任务的交互效应;⑥提示4-6岁幼儿在行走时的步态会受到多任务的影响,表现为步态受损、任务成本增加;对下肢关节的影响体现在髋关节与距下关节;对下肢肌肉力的影响集中在大腿内收和外展肌群;因此应指导幼儿进行锻炼这两大肌群的趣味游戏,以实现更优化的多任务行走模式,降低跌倒发生率,预防跌倒伤害。

一种脑卒中上肢康复训练定量化评价方法

针对脑卒中传统评价的方法存在指标单一、对康复效果变化不敏感等问题,提出了一种以层次分析法与熵值法相结合的综合评价方法。首先,利用肌骨建模软件AnyBody对康复运动进行逆向动力学仿真;其次,从难度、执行度、平顺性等7个指标分析受试者的运动特征,通过计算获得:人体康复训练的执行能力不但与运动的难易程度有关,还与生理结构有关,执行能力在中间位置处最大;随着熟练程度的增加,运动时间减小,执行能力从不熟练到很熟练显著提升。进一步地建立了层次分析法与熵值法的综合评价模型,通过将训练过程中各项评价参数输入到综合评价模型中,实时计算得分,来获得患者的康复情况。实验结果表明:脑卒中患者在3种状态(不熟练、较熟练和很熟练)下的综合评分变化显著,验证了这种定量化评价方法的有效性,对治疗师最佳康复训练计划的制定具有一定的参考价值。

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。

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.

24式太极拳典型动作的下肢生物力学特征

目的:运用AnyBody仿真软件计算24式太极拳行进间典型动作(野马分鬃、倒卷肱、云手)中的下肢运动学、动力学和肌肉用力特征,分析不同水平24式太极拳练习者下肢生物力学特点。对象:招募普通太极拳课程练习者和专业者,分别进入普通组(N=16)和专业组(N=14)。普通组为参加16周太极拳课程学习的大学生,专业组为体育学院太极拳专项的大学生(练习时间在3年以上)。方法:应用BTS三维运动捕捉系统、三维测力台和表面肌电测试系统同步采集了两组太极拳典型动作野马分鬃、倒卷肱和云手原始数据。结合AnyBody人体建模仿真软件计算三种动作过程中膝关节垂直轴方向受力峰值时刻的下肢运动学、动力学以及下肢肌肉力。结果:在野马分鬃、云手、倒卷肱动作中,专业组踝关节角度,髋关节外展角度明显小于普通组(P<0.05),髋关节旋转角度明显大于普通组(P<0.01);专业组三关节在矢状轴方向上的受力明显高于普通组(P<0.05),髋关节在额状轴、垂直轴方向上的受力明显小于普通组(P<0.01)。普通组髋关节及大腿周围的大肌群肌肉用力较小,小腿肌肉、髋关节及大腿周围的小肌群肌肉用力较大(P<0.05);不同水平太极拳练习者对下肢肌肉的激活程度不同。结论与建议:太极拳练习过程中,膝关节在垂直轴方向上受力的峰值时刻,专业太极拳练习者髋关节会表现出较大的髋关节旋转角度,较大的踝关节屈曲角度;较大的矢状轴方向上受力,较小的额状轴和冠状轴方向上的受力。初学者在太极拳练习过程中应注意躯干的旋转,控制髋关节内收、外展的角度,在练习中应感受髋关节及躯干周围大肌群肌肉用力,进而促进太极拳练习过程中姿势的控制能力。

股骨颈骨折术后不同动作时股骨力学特性研究

目的:探究不同动作对股骨颈骨折术后股骨生物力学的影响,为术后康复提供理论指导。方法:选取天津医院2015年1月—2017年12月收治的股骨颈骨折术后评价复位质量良好患者30例,首先利用三维重建方法建立股骨颈模型,并对复位质量进行定量化测量。其次通过AnyBody软件建立股骨肌肉模型,在Geomagic Studio软件中实现股骨颈模型与股骨肌肉模型坐标的统一,位置大小的匹配;然后对股骨颈模型进行预处理,再经Hypermesh软件进行网格划分,建立股骨颈有限元模型。最后利用AnyBody软件进行动作模拟,包括站立、步行、起立和下蹲动作,逆向动力学分析比较日常动作间股骨的应力分布与应力峰值。结果:经测量30例股骨模型股骨头小凹最低点平均位移为(9.22±4.42)mm,股骨头中心平均位移为(5.32±2.98)mm,股骨头平均偏转角度为(19.73±11.61)°。站立时平均应力峰值为(18.97±7.8)MPa,步行过程中平均应力峰值为(66.85±36.18)MPa,起立过程中平均应力峰值为(61.74±114.38)MPa,下蹲过程中平均应力峰值为(1607.04±869.58)MPa。经统计分析,仅起立与步行动作之间股骨颈应力不具有显著性差异(P=0.82),其余动作时股骨颈应力之间均有显著性差异(P<0.05)。结论:纳入的30例股骨颈都存在不同程度的空间移位。四个日常动作过程中,站立时股骨颈受力最小,其次是起立、步行,下蹲时股骨颈受力最大。

基于仿真分析的直升机飞行员下腰痛研究

针对当前直升机飞行员下腰痛研究缺少相关生物力学分析的问题,采用Any Body模型系统构建了"座椅-人-操纵装置"人机交互模型,以操纵脚蹬为例,利用逆向动力学对人体颈部、肩部、腹部、大腿及小腿等五个主要受力部位的肌肉群平均肌肉活动水平和腰椎L4-L5之间的压力进行了仿真分析,结果表明,座椅靠背倾角、座椅前后调整距离、座垫摩擦系数和腰靠等相关座椅参数对肌肉活动水平和L4-L5之间的压力具有不同程度的影响,导致腰痛的产生,在研究结果和相关参考文献的基础上,初步建立了下腰痛函数,为直升机座椅优化,减少飞行员下腰痛的发生提供了一种新的方法。