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肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展
肌骨模型是基于生理学、工程分析和计算机三维图像技术的用于分析人体运动系统中肌肉与骨骼之间相对位置关系的几何模型,是分析人体生物力学特性的基础,由于其在研究人体肌肉骨骼系统生物力学上的优越性而越来越多地被应用.就肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展作一综述.
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膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析
背景：膝关节骨性关节炎主要以软骨退变，骨质增生进而影响到关节周围软组织致关节疼痛，负重后加重以及后期致关节变形的慢性疾病。目的：实验收集膝关节骨性关节炎患者及正常人的膝关节影像学参数，再先后导入各种软件建立模型，然后在模型上模拟膝关节下蹲动作，并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据，并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。方法：收集膝关节骨性关节炎患者及正常人各30例，通过影像学CT，MRI检查获得数据，将得到的数据通过Mimics软件、Simpleware软件分析后建立模型，通过模型获得膝关节软骨应力相关数据，后进行膝关节骨性关节炎患者与正常人数据的对比分析，分析总结得出膝关节骨性关节炎患者关节软骨的应力特点。结果与结论：膝关节骨性关节炎患者从站立到下蹲过程中膝软骨表面应力一般呈现非线性递增趋势。膝关节骨性关节炎患者下蹲过程中膝软骨表面中间外侧应力应力高于正常人体组(P <0.05)，而其下蹲过程中膝软骨表面靠近远端应力及前后侧应力与正常人相比差异无显著性意义(P>0.05)。结果证实，成功建立膝关节骨性关节炎肌骨模型和有限元模型，建立的模型更接近真实膝关节的运动特征，通过模型为膝关节骨性关节炎疾病提供膝部组织定量的生物力学数据。
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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
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AnyBody 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.
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头部前屈运动过程中颈肌特性的研究
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.
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头盔质量和质心对军机飞行员颈部肌力的影响
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.
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基于功能性电刺激的腕关节多自由度震颤抑制仿真研究
应用功能性电刺激(FES)技术,设计了两自由度的病理性震颇抑制系统,能够实现对人体腕关节内外翻和上下切自主运动过程中伴随的震颤进行抑制.首先建立了腕关节的肌骨模型,针对参与腕关节内外翻和上下切运动的四块主要肌肉(桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌)进行建模,同时建立了腕关节的二阶机械阻抗动力学模型.然后以腕关节肌骨模型为控制对象设计了FES抑震控制器,提出了基于逆模型的前馈控制与线性二次型调节器(LQR)优控制相结合的复合控制策略.在此基础上仿真了在阶跃、正弦以及真实患者数据3种输入作为自主运动的情况下,系统对于震颤的抑制,结果表明该FES抑震控制器能够对多自由度震颤幅度实现94％以上的抑制.
