人体上肢肌骨系统生物力学分析及鼠标操作时腕部接触压力研究

发布时间：2018-02-02 06:09

本文关键词： 肌骨系统接触分析有限元分析生物力学　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着我国经济和社会不断发展的需要,社会劳动分工越来越细,而劳动方式单一化、不断重复的劳动工作,导致人体肌肉骨骼不适(MSDs)、损伤(MSI)的发生率相应增加。轻度不适,可以休假调整,而重度不适,则可能需要手术干预,更甚者则可能影响运动功能,甚至致残。大量伏案工作的办公室人员以及办公自动化的计算机操作人员成为了肌骨不适及肌骨系统各种损伤的高发群体。不但给患者个人造成了身心痛苦,也给家庭和社会带来了沉重的经济负担。到目前为止,通过运动方式来进行诊断和治疗MSDs、损伤以及进行运动康复训练,还缺少基于生物力学原理的、科学的、准确的诊断、治疗和康复评估方法。另外,随着计算机在各行各业的快速普及和应用,鼠标作为实现人与计算机交互的重要输入装置,得到了日益广泛的应用。但是,不断、重复性的鼠标操作会导致一些上肢MSDs,常见的例子是腕管综合症(CTS),也称为“鼠标手”。当前,我国MSDs的流行情况形势非常严峻,但因缺乏十分有说服力的病因学证据,以及基于生物力学因素的评估方法和依据,较难采取有效的预防和控制措施,使MSDs的发病率得到有效的降低,同时也可以减少政府、企业和患者个人以及家庭的经济负担。考虑到腕部及上肢相关MSDs、肌骨损伤的严重性和生物力学研究的重要性,本文从生物力学角度出发,基于生物力学的原理和方法,对上肢肌骨系统进行生物力学分析,并对鼠标操作时腕部接触压力进行了实验测量和有限元模拟对比研究。具体的研究内容包括:(1)通过人体运动捕捉的实验测量,对人体上肢的常见运动,以及鼠标操作时手指击键等的运动数据进行了采集、处理和分析。通过处理和分析,得到了上肢运动时各关节的角度变化曲线,可以作为逆向动力学分析和有限元分析的基础数据。通过采用逆向动力学的方法,对屈肘关节和前臂旋前-后等运动进行了分析和计算,得到了运动过程中的肘关节力矩、关节反力、肘关节周围各主要肌肉力以及上肢肌肉的活性等,分析表明上肢水平比上肢竖直状态有更高的关节力矩、关节反力、肌肉力和肌肉活性。通过获得的数据,可以有助于更好地了解上肢运动与其受力之间的关系,同时也为后续的有限元分析提供了运动学数据。(2)使用激光扫描仪、f-scan和fsa(forcesensingarray)压力测量系统,对不同鼠标操作时鼠标、腕部的接触面积和接触压力进行了测量和数据处理。通过扫描仪扫描,得到了不同鼠标操作状态时鼠标、腕部与扫描仪接触区域的面积;通过f-scan和fsa压力测量实验,获得了在鼠标击键操作的整个过程中鼠标、腕部与桌面之间的接触压力,接触面积,接触力,以及接触压力峰值随时间的变化关系,并对其进行对比分析。这些数据可以作为腕部msds、损伤的临床诊断、康复方案的制定和评估提供生物力学依据。结果表明,腕部接触压力峰值出现在腕部尺侧(豌豆骨附近)区域,将前臂尽可能地放在桌面上,可以有效地降低腕部的接触压力,或者使用合适的鼠标垫,也可以起到一定得降低腕部接触压力的效果,从而减少桌面对腕部的磨损以及对腕部血管、神经的挤压,降低患腕部msds的风险。(3)基于志愿者的ct和mri扫描数据,建立了人体上肢肌骨系统的三维有限元模型,包括肱骨、尺骨、桡骨、所有手骨等骨骼,各关节的软骨和肘关节的主要韧带,以及上肢的软组织(包括皮肤,肌肉,肌腱以及筋膜等)等组织。通过模拟和分析,研究了正常肘关节在屈肘和前臂旋后运动中,各关节面上的接触压力的分布情况,也同时研究在这些过程中的不同状态时,各骨骼、主要韧带、以及软组织上的应力分布情况。通过相关的对比和分析,有限元分析结果与逆向动力学分析结果趋势大致相同,验证了所建立模型的有效性和可靠性。在上肢肌骨系统有限元模型的基础上,又建立简化的鼠标和桌面相互作用的有限元分析模型,模拟和分析在重力载荷作用下以及前臂与桌面不同的接触区域时,手部与鼠标、鼠标与桌面、以及腕部与桌面的接触情况,并与实验结果进行了比较和分析。分析结果表明,只有腕部和桌面接触时,腕部与桌面的接触压力,肘关节、腕关节各关节面间的接触压力均为最大,随着前臂与桌面的接触区域增大,各部分接触压力减小,前臂四分之三、整个前臂区域与桌面接触时,接触情况基本相同,因此综合分析各因素后,在操作鼠标时,尽量采用前臂的四分之三区域与桌面有支撑的姿势。获得的接触情况数据可以作为上肢关节接触研究,上肢组织特性研究以及肌骨系统不适、损伤的诊断和治疗的生物力学依据。本文建立的人体上肢肌骨系统的三维有限元分析模型,可以作为人体上肢生物力学分析的一个平台,用于研究上肢各骨骼的运动生物力学特性,即上肢的日常运动、体育运动的模拟分析等研究工作,了解日常活动对上肢的影响具有重要的意义;可以用于上肢各关节接触情况的分析,以及运动对上肢肌骨系统的影响;可以从生物力学角度分析鼠标操作对腕部关节的影响;可以用于人—机工程学的研究,以及进行上肢相关的人体工效学研究,例如鼠标的个性化设计,桌面的工效学设计,运动康复机器人的设计等;可以为临床上MSDs的诊断和治疗提供一定的生物力学指导,从而有效的预防上肢MSDs和肌骨系统损伤;还可以为患者制定个性化的运动康复方案。该模型的建立,也为今后开展对于包含腕管综合症在内的上肢肌骨不适、损伤的相关研究具有重要的学术意义和应用价值。
[Abstract]:In this paper , it is difficult to take effective measures to prevent and treat MSDs , and it is difficult to take effective measures to prevent and treat MSDs . The contact area and the contact pressure of the mouse and wrist during the operation of the mouse were measured and the contact pressure , contact area , contact force and contact pressure were measured . The results showed that the contact pressure peak appeared on the surface of the wrist ruler side ( near the pea bone ) , and the contact pressure , contact area , contact force and contact pressure peak value were analyzed . A three - dimensional finite element model of the human upper limb muscle system is established based on the ct and mri scans of the volunteers . The contact pressure between the wrist and the desktop is similar to that of the table top , and the contact pressure between the wrist and the desktop is almost the same as the contact area between the forearm and the table top . It is important to understand the influence of daily activities on the upper limb ; it can be used for the analysis of the contact of upper limb joints and the influence of exercise on the upper limb muscle system . It can be used for the research of human - machine engineering and the design of human body ergonomics related to upper limb , such as personalized design of mouse , ergonomics design of desktop , design of sports rehabilitation robot , etc .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.01

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