下肢骨肌系统生物力学建模和典型运动中若干力学问题研究

摘要

人体是一个极其复杂的系统，个体差异性、多样性以及活体实验的局限性，使得开展人体生物特性的研究工作十分困难。与此同时，随着经济的不断发展、人民生活水平的不断提高以及医疗条件的不断改善，人们提高自身生命质量的要求更加强烈。人体生物力学研究正是从力学的角度来研究人体的生物学相关理论和运动机理，从而为临床医学和康复医学的发展提供有力的理论指导和帮助。
　　 此论文基于本研究所承担国家自然科学基金重点项目“中国力学虚拟人”以及两个与上海市第六人民医院的医工结合横向合作项目，建立了人体下肢骨肌系统三维几何模型和力学模型；对人体步态运动这一典型行为进行了运动学动力学分析，对参与运动的下肢相关肌肉的肌肉力进行了优化计算，并以所求得的肌肉力和关节力为载荷条件，采用有限元方法分析了步态过程中下肢骨骼的应力分布规律；此外，对除步态外的日常典型行为动作下肢运动学进行了测量分析与研究；同时结合建立的模型和运动分析结果针对人工髋关节置换手术中两个重要临床问题开展了深入研究：一是人工髋关节脱位与理论活动度的分析研究、二为不同股骨柄的初期稳定性比较研究。具体内容包括：
　　 1)利用冷冻层切图片数据通过医学图像处理技术和逆向工程法建立了下肢骨骼的三维几何模型，并在其基础上确定了下肢肌肉的起止点并建立了肌肉作用力线的直线模型；同时基于几何模型建立了下肢骨肌系统运动模型，通过对比模型仿真肌肉力臂值与实验测量力臂值对该模型进行了验证。
　　 2)利用三维运动捕捉系统和足底测力平台对人体步态运动进行了三维运动测量分析，并利用计算出的运动学动力学结果，结合建立的骨肌系统模型进行了肌肉力的预测，通过测量表面信号对肌肉力的预测结果进行了验证；
　　 3)在下肢骨骼三维几何模型的基础上建立了下肢骨骼三维有限元网格模型，并将预测出的关节力和肌肉力结果作为有限元分析模型所施加的载荷条件，对步态时下肢骨骼的应力分布进行分析。
　　 4)对人体除步态以外的一些典型日常行为动作(上楼梯、下楼梯、跑、蹲、跪)进行运动学捕捉和分析，得到了各种运动中下肢髋、膝、踝三关节的活动范围，为了解的人体运动以及关节假体设计的不断完善提供科学有效的依据。
　　 5)临床研究问题之一：人工髋关节理论活动度分析研究。建立了一个模块化的分析工具用以计算人工髋关节各设计参数和安装参数下髋关节六个方向的活动度；结合人体日常行为动作运动测量结果进行不同参数下人工髋关节安全区域的分析。
　　 6)临床研究问题之二：不同人工股骨柄的生物力学分析。利用建立的股骨模型通过有限元方法分析和比较了不同人工股骨柄植入股骨后在步态和爬楼梯这两种载荷下股骨柄与股骨间的相对微动和应力分布情况。
　　 总之，本文建立了人体下肢骨肌系统生物力学模型，并进行了典型行为运动下肢运动学、动力学和有限元分析，模型可以广泛地应用于下肢生物力学研究。同时针对人工髋关节对两个临床问题进行了研究，为术中假体的优选和植入位置方案确定及假体的自主设计提供了理论基础和有益的信息参考。