基于Opensim平台对腰部肌骨系统的生物力学分析

摘要

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，结果显示所有相关性验证均保持了强相关性（均有R2＞0.9）。 最后基于该模型，本文首次仿真计算了前屈、后仰、侧弯和轴向旋转四种状态下，不同静态姿势和运动时的腰部肌群肌肉力分布，并分别研究了肌肉老化、手臂摆动、运动速度加快和不同初始腹压值的影响，发现肌肉老化对肌肉力分布影响较小，但会提升不同肌肉的激活度，手臂摆动会对某些肌群产生较大影响，运动速度加快会明显提升主要发力肌群的肌肉力，初始腹压值则会影响整体肌群肌肉力的大小而不影响其变化规律。整体而言，本文仿真结果与现有肌肉功能解剖学资料基本保持一致，该模型有效地分析了腰部生物力学情况，随着相关研究逐步深入，其在骨科医疗器械研发和康复医疗领域有良好的应用前景。

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