基于Opensim平台对腰部肌骨系统的生物力学分析

发布时间：2021-11-20 10:05

　　有研究指出,约有80%的人会在一生中出现腰痛问题,尽管其病因复杂,肌肉和骨骼生物力学性质的改变始终是重要原因之一。本文基于Opensim平台建立了较为完善的腰部肌骨模型,它能够仿真人体不同姿势和运动状态,并计算不同肌群肌肉力的分布和椎间压力,对深入了解腰部的生物力学情况提供了一种低成本高效率的研究方法。基于Christophy（2012）肌骨模型,本文首先解除腰椎约束,添加替代椎间软组织功能的刚度矩阵,并在前屈-后仰状态下采用了耦合刚度矩阵,而侧弯和轴向旋转状态下采用了对角刚度矩阵。同时在模型中添加了腹横肌和由等效集中力表征的腹内压力模型,并针对不同姿势进行了力的作用线的优化。肌肉的参数模型则选用了Thelen肌肉-肌腱模型,并对具体参数值进行了修正,从而建立了包含九大腰部肌群的多刚体肌骨模型。针对模型中的肌肉-肌腱模型参数,本文基于单一变量法则针对每个参数进行了定量分析,进一步研究了其对不同肌群肌肉力的影响。此外本文还探究了不同刚度矩阵类型对模型求解的影响,并结合实际仿真计算选取了相对应的刚度矩阵。进一步的,结合不同椎间压强和肌肉表面肌电信号的测量学文献,完成了对该肌骨模型的初步验证... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：94 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

肌骨系统有限元模型

(a) Joshua 等人肩部肌骨模型[6](b) 驾驶人有限元模型[8]图 1-1 肌骨系统有限元模型态下的肌肉力、椎间压力等。在国内，王成焘教授的研究组开发的“中国力学台，旨在建立“骨骼-肌肉-韧带”生物力学系统[9]，它是一个参数化模型，可以不同的参数使其转换成具体的研究对象，并且该平台可以直接使用或者二次开到不同的生物力学研究中：如骨关节医疗器械的设计、创伤与事故力学分析、领域的应用、艺术或体育动作的生物力学分析等。

第一章 绪论了腰部肌骨基本模型[11]，该模型由七个刚体（骨盆、五个腰椎骨、胸部）构成，以8 根肌束表示的七大肌群，共 18 个自由度。整个模型相对简化：腰椎部分的质量设置为 0，椎间关节采用 3 自由度的球形连接，缺乏腹内压的建模，并且所有肌缺乏具体的数据，描述不够精细。2012 年，Han 等人在此基础上建立了全身肌骨模型[12]，包含头骨、四肢、骨盆，脊柱则分为颈椎、胸椎、腰椎和骶骨。其中颈椎和胸椎作为两个刚体，而腰椎部由五个椎骨刚体构成，各个部分的质量以及质量惯性矩依据相关参考文献进行了

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J]. 宋和胜,钱竞光,唐潇.  医用生物力学. 2015(04)
[2]下腰痛与腰背肌肌力研究综述[J]. 梁清.  科技信息. 2010(18)
[3]中国力学虚拟人[J]. 王成焘.  医用生物力学. 2006(03)

博士论文
[1]基于肌肉骨骼生物力学载荷的驾驶人腰部舒适性研究[D]. 孟祥杰.清华大学 2015



本文编号：3507096