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基于影像学构建个体化OpenSim下肢肌骨模型的生物力学研究应用进展 被引量:11
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作者 梅齐昌 顾耀东 +2 位作者 孙冬 李建设 Justin FERNANDEZ 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期259-264,共6页
由于OpenSim肌骨系统模拟平台开源性,近年来快速发展且被大量研究使用。个体化OpenSim肌骨模型可计算基础的运动学与动力学数据,揭示神经肌肉控制、肌肉力量和几何学变化及关节接触力等信息;结合影像学建模分析病理步态的神经肌肉控制... 由于OpenSim肌骨系统模拟平台开源性,近年来快速发展且被大量研究使用。个体化OpenSim肌骨模型可计算基础的运动学与动力学数据,揭示神经肌肉控制、肌肉力量和几何学变化及关节接触力等信息;结合影像学建模分析病理步态的神经肌肉控制及辅具的人机工效学评估等研究均表明其应用的可靠性与可行性,但存在耗时及足踝关节模拟的局限性。构建个体化病理肌骨模型,能提升临床生物力学及医学工程学研究的精准性和多样性,揭示不同病理特点,并为制定精准的诊断与康复方案、健康监测与评估状况及外部装置的工效学定制与测评提供科学依据,以及为未来该领域研究提供启示与方向。 展开更多
关键词 OpenSim肌骨模型 医学影像 个体化 病理步态
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全膝关节置换前后患者下肢肌骨模型步态模拟与分析 被引量:6
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作者 刘佳耕 闫松华 +1 位作者 曾纪洲 张宽 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期347-355,共9页
目的比较分析全膝关节置换患者术前、术后步态周期站立相下肢肌肉激活规律和膝关节受力。方法基于Open Sim平台建立1名健康受试者和3名单侧全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)患者术前、术后下肢肌骨模型。使用三维动作捕捉系... 目的比较分析全膝关节置换患者术前、术后步态周期站立相下肢肌肉激活规律和膝关节受力。方法基于Open Sim平台建立1名健康受试者和3名单侧全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)患者术前、术后下肢肌骨模型。使用三维动作捕捉系统和测力台采集受试者步行期间下肢运动学数据和地面反作用力作为输入参数,模拟计算下肢肌肉激活和膝关节受力。结果肌骨模型计算结果与基于三维动作捕捉系统的逆动力学计算结果基本一致。不同于健康受试者,患者股直肌在承重反应期、支撑相中期激活,3名患者术后股四头肌的激活时间与激活程度较术前明显不同。患者TKA术前关节受力峰值为3. 15、2. 95、3. 43倍身体质量(body weight,BW),支撑相中期维持2倍BW以上载荷。TKA术后关节受力峰值分别2. 09、2. 48和3. 73倍BW。结论所建肌骨模型计算结果具有一定的可靠性,该模型今后可为TKA治疗提供生物力学的辅助手段。 展开更多
关键词 全膝关节置换 步态周期 肌骨模型 肌肉激活 关节力
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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 被引量:1
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作者 杜娟 夏晓宇 +2 位作者 孟琳 苗军 明东 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期233-240,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 脊柱 运动分析 肌骨模型 有限元
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基于OpenSim的腰部肌骨系统在体前屈状态下生物力学分析 被引量:16
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作者 詹晓彤 陈强 李志勇 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第1期27-34,共8页
目的基于OpenSim软件建立完善的腰部肌骨系统模型,深入了解体前屈状态下腰部肌群的受力情况。方法在软件现有腰部肌骨模型基础上,通过修改椎间约束,将腰椎还原为六自由度模型。同时,根据Thelen模型对肌肉参数进行修改,建立30岁成年人和7... 目的基于OpenSim软件建立完善的腰部肌骨系统模型,深入了解体前屈状态下腰部肌群的受力情况。方法在软件现有腰部肌骨模型基础上,通过修改椎间约束,将腰椎还原为六自由度模型。同时,根据Thelen模型对肌肉参数进行修改,建立30岁成年人和70岁老年人肌肉模型,并添加椎间刚度矩阵和等效集中力表征的腹压模型。针对体前屈状态,探究手臂摆动、运动快慢、腹压改变、肌肉老化等因素对腰部九大肌群受力的影响。结果建立了包含九大腰部肌群的多刚体肌骨系统模型。基于前屈0°~70°的计算发现,手臂的摆动会明显减少腰大肌和腹外斜肌的受力,在完成前屈70°并恢复直立时,运动时间从5 s减小至2.5 s会明显增加腰大肌、腹外斜肌、腹直肌和竖脊肌的受力;其中,在5 s运动情况下,增加腹压能减少腰大肌的受力,而相应的腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌受力则有所增加。在2.5 s运动情况下对比不同状态下30、70岁两种肌肉模型的计算结果,没有发现明显区别。结论所建模型有效地分析了腰部肌群的受力情况,随着基本理论的更加完善,其在运动力学和康复医疗的应用前景十分广阔。 展开更多
关键词 肌骨模型 腹压 逆向动力学 前屈 肌肉力
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考虑步兵头盔动作适应性的颈部生物力学分析及优化
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作者 安征 王亚平 曹捷 《兵器装备工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第10期248-257,共10页
针对步兵在佩戴头盔下不同头部动作的适应性问题,建立头部动态“头—颈—盔”肌骨模型,研究头部不同运动下颈部肌群和关节受力特性,获得不同运动下盔上装备位置对颈部肌肉的影响规律。采用多目标粒子群算法,以动态下颈部肌群最大激活度... 针对步兵在佩戴头盔下不同头部动作的适应性问题,建立头部动态“头—颈—盔”肌骨模型,研究头部不同运动下颈部肌群和关节受力特性,获得不同运动下盔上装备位置对颈部肌肉的影响规律。采用多目标粒子群算法,以动态下颈部肌群最大激活度为优化目标,进行盔上装备位置优化,获得盔上装备较优位置。结果表明:与头部中立位相比,上仰30°时颈部最大肌肉激活度增加1551.21%,侧弯40°时增加885.42%,旋转40°时增加35.23%;上仰和旋转中T1C7椎间压力最大,与头部中立位相比,T1C7椎间压力在上仰30°时增加357.98%,旋转40°时增加10.71%;侧弯运动中C1C0和T1C7椎间剪切力最大,且大小相同、方向相反,侧弯40°时最大剪切力为104.71 N;多动作适应下盔上装备质心位置较优范围为(0.0017~0.0489 m,0.06~0.08 m,-0.08~0.08 m)。 展开更多
关键词 头盔 肌骨模型 生物力学 动作适应性 优化
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面向逆向动力学仿真驱动和验证的半蹲式跳伞着陆实验研究 被引量:25
6
作者 王旸 牛文鑫 +2 位作者 何艳 裴葆青 樊瑜波 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 2010年第4期257-261,272,共6页
目的半蹲式跳伞着陆模拟实验的设计和相关数据测量,为逆向动力学软件AnyBodyModelingSystem模型的建立、驱动和验证提供数据。方法根据逆向动力学分析数据驱动和验证的需要,受试者从0.32m高的平台跳落,模拟半蹲式跳伞着陆。对受试者下... 目的半蹲式跳伞着陆模拟实验的设计和相关数据测量,为逆向动力学软件AnyBodyModelingSystem模型的建立、驱动和验证提供数据。方法根据逆向动力学分析数据驱动和验证的需要,受试者从0.32m高的平台跳落,模拟半蹲式跳伞着陆。对受试者下肢关节运动学参数、地面反力以及下肢4块主要肌肉的肌电图进行测量。结果受试者在与地面接触前后1s内,髋、膝、踝关节角度随时间的变化、右脚地面反力以及压力中心轨迹用来驱动模型;肌电活动性测量数据用来验证模型。结论实验设计可以满足肌骨模型分析的要求,并可用于对半蹲式跳伞着陆的进一步研究。 展开更多
关键词 跳伞 着陆 肌骨模型 逆向动力学分析 动力学仿真
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头部前屈运动过程中颈肌特性的研究 被引量:16
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作者 茆军兵 贾晓红 +2 位作者 王人成 蒲放 孙芳 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第5期577-581,共5页
目的分析人体头部前屈运动过程中头颈部肌群活动特性,探索人体头颈部肌肉疲劳原因。方法基于AnyBody软件建立人体头颈部肌骨模型,以Vicon运动捕捉系统测量数据为输入,对头部前屈运动过程中的肌力进行仿真,并结合文献数据进行分析。结果... 目的分析人体头部前屈运动过程中头颈部肌群活动特性,探索人体头颈部肌肉疲劳原因。方法基于AnyBody软件建立人体头颈部肌骨模型,以Vicon运动捕捉系统测量数据为输入,对头部前屈运动过程中的肌力进行仿真,并结合文献数据进行分析。结果颈后肌群在头部前屈运动中起主要作用。在头部前屈45%和75%行程位置肌力分配模式不同。肌力对前屈角位移的积分WM一定程度上反映了肌肉的疲劳特性,其中颈半棘肌和多裂肌在头部前屈运动过程中WM最大,容易出现疲劳。结论本文建立的头颈部肌骨模型可为分析人体运动状态下肌肉分析提供技术平台。 展开更多
关键词 头颈部 肌骨模型 头部前屈 肌力 仿真
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头盔质量和质心对军机飞行员颈部肌力的影响 被引量:11
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作者 贾晓红 茆军兵 +2 位作者 王人成 蒲放 孙芳 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第4期416-420,共5页
目的研究头盔质量和质心偏移对军机飞行员颈部肌肉活动特性的影响。方法基于AnyBody软件平台建立头颈部肌骨模型,包含C0、C1-7、T1和136组头颈部肌肉。采用集中载荷模拟头盔作用,对不同头盔质量、质心位置和加速度载荷下的7个主要肌群... 目的研究头盔质量和质心偏移对军机飞行员颈部肌肉活动特性的影响。方法基于AnyBody软件平台建立头颈部肌骨模型,包含C0、C1-7、T1和136组头颈部肌肉。采用集中载荷模拟头盔作用,对不同头盔质量、质心位置和加速度载荷下的7个主要肌群的肌力进行了仿真计算。结果当头盔质心与头部质心重合时,支配后伸的头半棘肌、肩胛提肌、头夹肌和颈夹肌处于收缩发力状态。当头盔质量增大,这些肌群肌力也随之线性增加,并且加速度载荷对肌力增大程度起放大作用。头盔质心后移,会降低后伸肌群的肌力,增大前屈肌群受力。头盔质心左右偏移引起的附加侧弯力矩则会激活支配侧弯功能的肌群的活动。结论头盔质量和质心位置对颈部肌群活动特性有明显影响,本文建立的头颈部肌骨模型可以计算不同状态下肌力的变化,头盔设计和使用过程可采用该技术进行定量分析。 展开更多
关键词 头盔 头颈部 肌骨模型 肌力 模拟 加速度载荷 军机飞行员
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基于逆向动力学的步兵头盔舒适性数值分析 被引量:6
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作者 杨洋 徐诚 +1 位作者 管小荣 王亚平 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期321-326,共6页
为了研究头盔对士兵头颈部肌肉活动的影响,建立了"盔—头—颈"肌骨模型。采用肌群激活程度作为头颈部舒适性评价标准,通过肌肉活动度最大/最小模型解决肌肉募集冗余问题,基于逆向动力学分析了头盔质量、质心位置和下颚带束紧... 为了研究头盔对士兵头颈部肌肉活动的影响,建立了"盔—头—颈"肌骨模型。采用肌群激活程度作为头颈部舒适性评价标准,通过肌肉活动度最大/最小模型解决肌肉募集冗余问题,基于逆向动力学分析了头盔质量、质心位置和下颚带束紧力对头颈部肌群活动特性的影响规律。结果表明:在矢状面内,头盔质量和质心位置共同影响颈部肌群激活;在冠状面内,当头盔质量产生的附加侧弯力矩小于相应的阈值时,颈部肌群激活基本上不随头部质心位置的变化而变化;提高束紧力有利于增强头盔的跟随稳定性但增加了下颚肌群的激活程度。文中建立的"盔—头—颈"模型可以计算不同状态下肌肉激活程度的变化,头盔的设计和使用过程中可以采用该技术进行定量分析。 展开更多
关键词 兵器科学与技术 步兵头盔 肌骨模型 肌群激活程度 肌肉激活 逆向动力学
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冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真 被引量:16
10
作者 刘述芝 胡志刚 张健 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第1期30-37,共8页
目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程... 目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。 展开更多
关键词 冲击载荷 肌骨模型 动态响应 下肢 逆向动力学仿真
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身高、质量及腰靠凸起对驾驶员腰部载荷的影响
11
作者 孟祥杰 王文军 +1 位作者 张超飞 成波 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第9期114-119,共6页
在现有Christophy脊柱肌骨模型的基础上创建了可求解腰部关节力、肌肉载荷的驾驶员生物力学模型,通过Matlab-OpenSim联合仿真求解了驾驶员人椅接触界面接触反力及摩擦力,从关节反力及腰部肌肉负载的角度尝试解释了身高、体质量、腰靠凸... 在现有Christophy脊柱肌骨模型的基础上创建了可求解腰部关节力、肌肉载荷的驾驶员生物力学模型,通过Matlab-OpenSim联合仿真求解了驾驶员人椅接触界面接触反力及摩擦力,从关节反力及腰部肌肉负载的角度尝试解释了身高、体质量、腰靠凸起厚度对舒适度影响的内在机理。结果表明:驾驶员腰部载荷随体质量的增加近线性增加,但与身高的相关度较低;4cm凸起腰靠支撑下的驾驶员较2cm凸起腰靠支撑下的腰部肌肉群等效载荷平均降低了7.4%,腰部椎间关节力平均降低了18.6%。所提出的仿真方法可以实现不同腰靠支撑下腰部载荷的定量评估,适用于指导人机工程中座椅腰靠的舒适性设计。 展开更多
关键词 脊柱肌骨模型 腰靠 人机工程 Matlab-OpenSim联合仿真
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