【《人体生物力学模型分析》2200字】

人体生物力学模型分析1.1AnyBodyModelingSystem软件简介AnyBodyModelingSystem(简称AnyBody)是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，是由丹麦奥尔堡大学TheAnyBodyResearchGroup研究开发的，它能运算人体对环境的生物力学响应，为人机工程学产品性能改进、生物医学工程研究和动作仿真优化提供一个新颖的平台[60]。该软件可以实现复杂动作的仿真模拟，并在某一特定状态下分析其肌肉、骨骼、关节的受力情况等，为生物医学工程研究提供一个平台。软件拥有独立的脚本语言AnyScript，拥有前处理建模、模拟分析及固表显示和数据输出等后处理功能。相比于其他工程软件，基于AnyBody软件的仿真模拟具有完善的人体模型库，较易导入动作捕捉数据，得到肌肉力、关节力和地面反力等数据，从而进一步优化设计，更快地计算出大量数据。AnyBody软件的模型和算法已经在国际专业期刊上进行了发表，并且得到了广泛认可，已经成为人体骨肌系统建模仿真领域的标杆。波兰的ObrebskaPaulina[61]基于AnyBody软件研究了性别对步态中膝关节生物力学的影响；波兰的SkubichJustyna[62]基于AnyBody的肌骨模型研究了股骨在整个步态周期内的负荷状态；天津大学的JiangChang[63]在一种可调节的康复训练装置基础上，通过AnyBody建立了人机一体化模型，分析了相同条件下患者姿势对肌肉力的影响。1.2运动生物力学理论基础骨、骨连结以及骨骼肌构成了人体运动系统。人体骨骼有206块，其中177块骨骼参与到人体运动[64]。骨骼肌附着在骨骼上，收缩时以关节为支点牵引骨骼运动，在运动过程中，骨骼起着杠杆作用，关节是运动的枢纽，骨骼肌则是运动的动力器官，而中枢神经系统(CentralNeverSystem,CNS)是运动的支配器官。AnyBody模型实际上是一些刚体体节的集合。在空间中的一个不受约束的刚体有六个方向自由度。模型中有n个组成部分，那么整个模型将最多有6n个自由度。在AnyBody中通过増加关节或驱动程序可以限制其他自由度。运动学分析的功能就是在任何时候都能确定所有刚体的位置，一般来说，运动学分析解决的是含有6n个未知数的方程。当添加足够的关节到系统中，那么这些关节就能提供所有6n个约束。当AnyBody建模系统执行KinematicAnalysis操作时，驱动器将依次采取每个步骤时的值；通过求解这6n个方程，所有体节在任意时间步骤的位置都能被得到。这样就对模型进行了运动学分析。AnyBody建模系统的核心操作之一是执行逆向动力学。在生物力学中，逆动力学通常代表从步态分析中测得的地面反作用力到解剖关节的力矩的计算过程。但是在AnyBody中，逆向动力学远不止于此。简而言之，逆向动力学允许模拟整个身体中经历复杂运动的肌肉和关节力，并考虑到动态惯性力，并且不一定需要在身体和环境之间的界面上测量力。其优势在于，它可以在几秒钟内分析由数百块肌肉组成的非常复杂的肌肉骨骼系统。图2.1手臂骨骼模型Fig.2.1Skeletalmodelofarm图2.1简单说明了逆动力学背后的原理。已知外力的大小，并且知道前臂的长度和二头肌在前臂上的插入点，通过肘关节力矩平衡可计算肌肉力。进一步的平衡方程可以给出肘关节的反作用力。图2.2上半身人体模型Fig.2.2Upperbodymodel图2.2反映了人体上肢的力学特性。即使只计算从肩关节到腕关节的距离，忽略肩带和手，手臂将有七个独立的自由度，即七个不同的关节，而不仅仅是一个。此外，弯曲肘关节的肌肉比图2.1中的单二头肌多很多，而且这些肌肉中的许多都跨越了几个关节，有些肌肉会相互干扰。多自由度和多个肌肉就会形成一个更大的平衡方程组，求解方程组的难度也随之增大，这样求解方程组就不是用人力计算轻易完成的事情了。另一个问题是许多肌肉在从起点到插入的过程中包裹在骨头上。由于肌肉路径不容易预测，而且肌肉向包裹的骨骼整体提供力，而不仅仅是在骨骼的起始点和插入点提供力，人体拥有的肌肉比平衡其自由度所需的肌肉要多得多，这意味着身体可以通过无数种不同的方式使用肌肉来完成任务，这就是肌肉冗余问题，该问题使得模型的计算被大大复杂化。AnyBody软件对模型进行逆向动力学分析，建立平衡方程如下：(2.1)其中f是肌肉与关节力的矢量，d是代表外力和惯性力的矢量，C是方程系数矩阵。由于存在肌肉冗余的问题，即肌肉系统拥有的肌肉数多于必要的平衡外部力量的数量，所以在中枢神经系统中选择激活肌肉时是有一些标准的。数学上，可以用以下方式制定选择将无穷多解作为一个优化问题[65-69]：(2.2)其中，G为假定中枢神经系统对肌肉受力情况的分配策略。为肌肉力，为第i块肌肉的肌肉力，由于肌肉是单方面的元素，只能拉伸不能压缩，因此为正数或零。1.3人体模型AnyBody(AnyBodyTechnology,A/S,2010)骨系统模型是基于丹麦奥尔堡大学人体肌骨模型库(AnyScriptModelRepository)建立的，用来建立人体肌肉骨骼模型进行仿真计算，是目前唯一的完整肌骨模型的生物力学分析软件[70]。本文基于AnyBody仿真模拟系统提供的“Mocap”数据库，根据受试者进行了修改。针对受试者的人体参数进行了测量，并在AnyBody软件中进行个性化处理步骤如下：(1)将C3D文件进行导入。本文通过Vicon系统(ViconMotionSystems，Oxfords，UK)对受试者进行三维数据的采集，将采集的C3D文件导入到AnyBody软件中进行驱动。(2)调整驱动，仅对下肢进行驱动。考虑到行走过程中，下肢的各个关节和肌肉之间的相互协调和运动，又与上肢运动有着密切的关系，因此在AnyBody主程序中驱动下肢部分(图2.3)。图2.3AnyBody中的下肢模型Fig.2.3LowerlimbmodelinAnyBody(3)修改受试者模型的身高体重、身体段长度等信息。在实验过程中，针对受试者的身高体重、各个身体段长度进行测量，并根据实际测量值对模型库中的原始模型进行个性化修改(图2.4)。(4)调整初始位置。在AnyBody软件中，根据受试者的初始姿态，调整AnyBody软件中模型的初始位置，使模型中的位置和实际受试者的初始位置相似，同时可以简单调整标记点的位置。(5)建立完成模型，进行驱动。对调整后的模型进行驱动，若无法驱动则重复(4)步骤直至可以驱动。流程图见图2.5。(a)修改前(b)修改后(a)Beforerevision(b)Afterrev