首页|行业资讯|企业名录|周边产品|数字城市|增强现实|工业仿真|解决方案|虚拟医疗|行业仿真|图形处理|军事战场
资讯首页
行业资讯 >> 专业文献>>正文
[行业文库]—中国力学虚拟人
2010年8月24日    评论:    分享:

    来源:第三维度(http://www.d3dweb.com)
    作者:王成焘(上海交通大学生命质量与机械工程研究所)

    摘要: “中国力学虚拟人”是国家自然科学基金重点项目。它是一个人体骨肌系统参数化几何模型,通过输入人体参数,可以转换为具体研究对象的骨肌系统模型;通过运动捕捉系统,可以将测量得到的人体运动转换为骨肌系统模型的运动;通过运动、动力学分析和肌肉力计算,可以得到一个行为过程中的关节力和肌肉力;它同时是人体全身骨肌系统的有限元模型,可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析。该项目将开发一个大型软件,支撑上述计算工作。它将在医学、医疗器械设计、人机工程学、体育与艺术科学、人身事故分析等广泛领域获得应用。骨肌系统建模的基本参数取自中国可视化人的研究成果。

    “中国力学虚拟人”是国家自然科学基金2006 年批准立项的重点项目(30530230),申报单位为上海交通大学生命质量与机械工程研究所,课题研究时间四年。在这以前我们已经历了近10 年的人体生物力学研究工作,为此项研究打下了基础,近期又由14 位中外生物力学专家成立了中国力学虚拟人国际专家委员会来指导并直接参与该项研究。本文就该项研究的意义、目标、研究进展的现状进行介绍和评述。

    1、研究目标

    “中国力学虚拟人”的研究目标是建立一个中国标准人体的“骨骼- 肌肉- 韧带”生物力学系统,如图1 所示。该骨肌系统的人体数据来自于重庆第三军医大学提供的中国可视化人研究项目。遗体捐献者为一男性,年龄35 岁,身高170 cm,体重65 kg。遗体被冷冻入50 cm 宽、45 cm 厚、20 cm 高的冰块中,用专用铣床层层铣削,每层厚度为0.1 mm至1 mm不等。铣削后暴露的每层断面用数码相机摄像,像素为3 702×2 048。图2 为其中一张断面的图像。

图1  人体“骨骼- 肌肉- 韧带”生物力学模型
图1  人体“骨骼- 肌肉- 韧带”生物力学模型
Fig. 1 Human bone-ligament-muscle biomechanics model

图2  第三军医大学“可视化人”切片之一
图2  第三军医大学“可视化人”切片之一
Fig. 2 Cryosectional image from CVH project

    “中国力学虚拟人”标准骨肌系统模型是一个参数化模型,可以通过输入人体的指定参数,通过所开发的专用几何转换模块,将其转化为具体研究对象的骨肌系统模型。这种转换不仅是人体骨架宏观尺寸的转换,而且在一定精度范围内逼近对象的具体骨骼形状与尺寸,以便于进行进一步的骨骼应力分析计算。这项几何转换方法是本项目研究的科学问题之一。

    具体研究对象可通过在身上粘贴标记点,通过运动捕捉系统测出人体各部位的运动,并转换为骨肌系统模型的运动。通过对运动参数的分析,可以得出各段骨骼质心速度、加速度、角速度、角加速度等参数。通过测量所得脚底力、人体各部位的质量和转动惯量等数据的代入,可以进行人体动力学计算。在这项计算中将考虑肌肉力的作用。关节部位主要的韧带将以绳单元的约束形式出现。肌肉力将以直线模型的形式,用最优组合作用原理求取。一种考虑肌肉空间几何叠绕形态的肌肉力计算数学模型将是本项目加以研究的又一科学问题。

    “中国力学虚拟人”同时是一具人体全身骨骼系统的有限元模型。研究者可以对所感兴趣的部位,根据动力分析得出的关节力和肌肉力,进行应力与应变分析计算。也可通过并行计算,对人体整体骨架系统进行某一行为运动的应力应变分析。这里,关节之间的接触状态和软骨层的影响,将作为专门的科学问题加以研究。

    “中国力学虚拟人”同时还是一个大型的人体生物力学分析软件。它包含人体几何建模、运动分析、动力分析、有限元分析等功能模块,拥有自己的数据库。并具有和一些著名的分析软件,包括Adams、 Abaqus、Ansys 的接口。它同时还是一个支持二次开发的软件平台,可以用于各个专业领域。

    图3 为我们用第三军医大学所提供的可视化人数据完成的人体全身线框模型。图4为脊柱和肋骨部分的面模型和有限元模型。

图3  项目组根据“可视化人”数据建立的人体全身(缺手)线框模型
图3  项目组根据“可视化人”数据建立的人体全身(缺手)线框模型
Fig. 3 Whole body geometric model(except hands) built on CVH dataset

图4  按照“可视化人”数据建立的骨骼表面模型和有限元模型
图4  按照“可视化人”数据建立的骨骼表面模型和有限元模型
Fig. 4 Skeleton surface model and FEM model built on CVH dataset

    2、前期研究与工作基础

    在“中国力学虚拟人”正式立项以前,我们已经开展了历时近十年的人体生物力学研究工作,为开展“中国力学虚拟人”的研究打下了基础。

    通过与颅颌外科医生的合作,我们建立了人体头部的几何模型与有限元模型,包括与下颌动力学相关的肌肉模型。运用该模型,我们进行了儿童唇颚裂整形手术的力学分析;上颚修复力学分析;下颌骨咀嚼行为力学分析。同时还在该模型上建有完整的上下全牙列模型,并利用该牙列模型进行了正常和缺损牙列应力分析,钢丝正畸过程的应力分析通过与骨科医生的合作,我们建立了人体下肢和骨盆系统的几何模型,并根据课题的需要,同时对股骨动力学相关的19 块肌肉进行了几何建模,并将肌肉转换成直线力学模型,见图5。通过用运动捕捉系统对志愿者下肢运动进行测量,得到下肢关节的运动参数,如图6 所示。通过运用最优组合作用原理和动力学分析计算,可得到上述19 块肌肉的肌肉力,见图7。利用所求得的关节力和肌肉力,我们通过有限元分析得到在一个步态周期中股骨上的应力分布及其变化,见图8。

图5 人体下肢骨肌系统及生物力学模型
图5 人体下肢骨肌系统及生物力学模型
Fig. 5 Lower limb musculoskeletal system and biomechanics model

图6 下肢骨肌系统运动测量与仿真
图6 下肢骨肌系统运动测量与仿真
Fig. 6 Motion measurement and simulation of lower limb system

图7 下肢一个步态周期的股骨肌肉力计算结果
图7 下肢一个步态周期的股骨肌肉力计算结果
Fig. 7 Femoral muscular force calculation in one gait cycle

图8 股骨应力分布及其在一个步态周期中的变化
图8 股骨应力分布及其在一个步态周期中的变化
Fig. 8 Femoral stress analysis and its variation in one gait cycle

    通过与足外科医生的合作,我们建立了足部的几何模型,包括骨骼与肌肉两部分。同时建立了有限元模型,对拇外翻力学手术治疗方案进行了应力与应变分析。

    我们和脊柱外科医生合作,进行了儿童侧弯脊柱的几何和有限元建模,并通过脊柱的应力分析对外矫正支架进行优化设计。

    由于人体生物力学的作用越来越被医学界所重视,医学界不断提出新的生物力学分析课题,从而启发我们,应该建立一个通用的人体生物力学模型和研究平台,统一的处理工作中出现的科学问题和方法学问题,这一思想构成了“中国力学虚拟人”的立项依据。

    3 、“中国力学虚拟人”平台的应用

    “中国力学虚拟人”是一个通用的研发平台,通过对它直接使用和二次开发,可以用于多种领域人体生物力学研究中

    (1) 在骨与关节医疗器械设计中的应用 通过对股骨有限元模型的改造,我们建立了“人工髋关节-股骨”力学系统模型,计算出下肢一个步态周期中股骨和人工关节柄部的应力分布及其在一个步态周期中的变化,如图9 所示。传统的人工关节设计通常都是以人站立姿态作为设计的依据。在今天看来这是不够的。用一个完整的步态来分析人工关节柄部的应力,将使设计者获得更为全面的数据。随着人工关节置换术接受患者的年轻化,患者对人工关节的需求已不仅仅是恢复步行功能,患者对功能提出了越来越高的要求,例如能够跑与跳,这时就必须在虚拟人系统中对设计进行考核。

图9  “股骨- 人工关节柄”系统应力分布及其在一个步态周期中的变化
图9  “股骨- 人工关节柄”系统应力分布及其在一个步态周期中的变化
Fig. 9 Femur-Hip prosthesis system stress analysis and its variation in one gait cycle

图10 下颌骨修复假体的应力计算
图10 下颌骨修复假体的应力计算
Fig. 10 Stress analysis for mandible prosthesis

    图10 是我们利用下颌骨肌系统模型进行的人工下颌骨置换案例。通过有限元计算不仅保证了假体的初始强度,而且保证了孔洞中组织工程化骨的应力生长环境。

    (2) 在临床医学中的应用 “中国力学虚拟人”的各个组成部分都可以单独用于临床中,通过对患体部位的骨组织应力分析,帮助医生确定治疗方案。我们利用力学虚拟人的头部进行了儿童唇颚裂及力学快速扩弓、牙列的力学正畸、牵张成骨、拇外翻力学矫正、儿童脊柱侧弯力学矫正等方面的研究。力学虚拟人的足部模型还可以进一步用于平足的矫正、糖尿病患者鞋垫的力学设计中。

    (3) 创伤与事故力学分析 力学虚拟人模型可以被用来模拟人体的跌、打、碰撞、高空坠落在骨骼中引起的创伤发生机理。在今天的汽车工业中,通常都需要建立人体的骨肌系统模型,模拟驾乘人员在汽车碰撞中的骨骼损伤过程;用来分析安全带、安全气囊的保护功能和负面效应;研究汽车对行人的碰撞事故及防范技术措施。

    (4) 在康复工程领域中的应用 力学虚拟人的上肢和下肢生物力学模型可直接用来指导医生和工程师进行假肢的设计,包括它的运动设计和力学设计。由于“中国力学虚拟人”提供了中国人体的标准运动姿态和各部分活动范围,因此它可以成为假肢设计的基本依据。利用力学虚拟人可以模拟下肢假肢受腔与残肢之间的压力分布,从而进行合理的受腔腔型设计。近些年来,瑞典Brinmark 设计了直接和股骨相连的下肢假肢,利用虚拟人的下肢力学模型可以对“天然股骨- 下肢假肢”力学系统进行仿真,对股骨与假肢的接合部位做出全面细致的应力分析。

    (5) 在人机工程学中的应用 “中国力学虚拟人”可以用来对人体的各种劳动行为进行仿真,用来估算在一个劳动行为过程中肌肉力的作用和骨骼上的应力,从而判断人体的承受能力和相应的保护措施,进行劳动与安全防护器械的设计。在汽车设计中可以用来分析各种坐姿下骨肌系统的状态、人体与座椅界面之间的压力分布,以及驾驶行为中相关肌肉的出力。由于“中国力学虚拟人”模型是中国的标准人体模型,因此它能够更好的研究同样的劳动行为或操作行为条件下,中国人体的承受和适应能力。

    (6) 艺术或体育动作的生物力学分析 力学虚拟人的运动学、动力学分析计算模块可以用来分析一些高难度艺术和竞技体育动作的力学机理,如芭蕾舞演员的旋转运动;溜冰运动员与跳水运动员的各种空中滚翻运动;举重运动员的抓、推、挺举运动;跳高与跳远的运动姿态;跑步与跨栏运动中下肢肌肉的出力分配。同时还可以对各种运动损伤进行人体生物力学分析。

    4 、从“中国力学虚拟人”到“国际力学虚拟人

    “中国力学虚拟人”是一个以中国标准人体为仿真对象的力学虚拟人,在课题负责人王成焘教授发起和组织下,一个以欧洲人体数据为依据的欧洲力学虚拟人,以及韩国科学家提出的力学虚拟人都将先后立项,并和中国力学虚拟人合作,共同组建成一个国际力学虚拟人平台。它不仅是不同人种力学虚拟人的集成,而且开展合作研究,针对其中难度高、研究周期长的科学问题开展合作,并将研究成果反馈到各自开发的力学虚拟人中。作为中国力学虚拟人迈向国际化的第一步,应“中国力学虚拟人”项目邀请,美国、英国、意大利、德国、韩国、以及中国和香港地区14 位生物力学专家于2006 年3 月聚集于上海交通大学,成立了中国力学虚拟人国际专家委员会,并由上海交通大学医学院戴尅戎院士、香港理工大学Arthur Mak 教授分别担任主任与副主任,首先对“中国力学虚拟人”计划做深入了解,为成立国际力学虚拟人委员会作准备。一项由中国、英国、瑞典和瑞士四国生物力学家参与的力学虚拟人足部合作计划也已启动,并将由欧洲提供技术,在中国建立足部生物力学仿真试验台。

    参考文献:

    [1] Marco V, Mario D, Fulvia T, et al. Three dimensional shape reconstruction and finite element models to be used in clinical studies[J]. J Biomech. 2004; 37:1597-1605.

    [2] 冯元桢, 生物力学 [M], 北京: 科学出版社, 1994; 3.

    [3] Cheung JT, Zhang M, Leung AK, et al. Three-dimensional finite element analysis of the foot during standing-a material sensitivity[J]. J Biomech 2005; 38:353-358.

    [4] Kadaba MP, Ramakrishan HK, Wooten ME, et al. Repeatability of kinematic, kinetic, and electromyographic data in normal adult gait[J]. J Ortho Research 1989, 7: 849-860.

    [5] Carson MC, Harington ME, Thompson N, et al. Kinematic analysis of multi-segment foot model for research and clinical applications:A repeatability analysis [J]. J Biomech, 2001, 34: 1299-1307.

    [6] Gross MD, Arbel G, Hershkovitz I. Three-dimensional finite element analysis of the facial skeleton on simulated occlusal loading[J]. J Oral Rehabil, 2001, 28(7):684-694.

    [7] 薄斌, 周树夏, 白西刚, 张燕飞. 用模态分析法建立人颅颌面骨骼系统动力学模型 [J]. 中华创伤杂志, 2000, 16(12): 716-719.

    [8] Butler DL, Goods ES, Noyes FR, et al. Biomechanics of ligaments and tendons [J]. Exercise and Sports Science Review, 1978,6: 125-181.

    [9] Marcus GP. Computer modeling and simulation of human movement [J]. Annu Rev Biomed Eng, 2001, 3: 245-273.

    [10] Tony MK, Elise FM, Glen LN. Biomechanics of trabecular bone [J]. Annu Rev Biomed Eng, 2001, 3: 307-333.

 

标签:力学虚拟人王成焘
上一篇:[视频]上海艾硕—3通道多点触摸(世博余韵展项)
下一篇:成功案例—盛开互动技术助阵2010 Chinajoy
网友评论:[行业文库]—中国力学虚拟人
评论
留名: 验证码:
您可能还需要关注一下内容:
·柴油机曲柄连杆机构动力学仿真与瞬时转速分析
·基于 ADAMS 飞行动力学仿真
·昆士兰大学通过dSPACE构建虚拟人体血管系统
·飞机弹射起飞起落架动力学仿真分析
·基于D3D的三维虚拟人运动显示
·虚拟人研究现状及展望
·Syandus:虚拟病人助力医疗教学
· 3D虚拟人脑2023年问世?
·组图:澳大利亚3D虚拟人体模拟解剖软件 Anatomedia
·北航教授赵沁平:虚拟人体研究前景广阔
☏ 推荐产品

Ladybug5全景
商家:力方国际

ProJet®
商家:力方国际

ProJet®
商家:视科创新

Premium1.5
商家:视科创新

巴可HDX主动立体投
商家:德浩科视

巴可HDF-W26投
商家:德浩科视

巴可30000流明2
商家:德浩科视

巴可4万流明2K投影
商家:德浩科视
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【广州】中科院广州电子技术有限公司
【北京】第二空间(北京)科技有限公司
【北京】幻维世界(北京)网络科技有限公司
【厦门】厦门惠拓动漫科技有限公司
【厦门】厦门幻眼信息科技有限公司
【深圳】深圳南方百捷文化传播有限公司
【北京】北京思源科安信息技术有限公司
【上海】上海殊未信息科技有限公司
【北京】北京赢康科技开发有限公司
【武汉】武汉科码软件有限公司
友情链接 关于本站 咨询策划 行业推广 广告服务 免责声明 网站建设 联系我们 融资计划
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备09001338
2008-2016 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Tel:010-57255801 Mob:13371637112(24小时)
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
扫一扫 第三维度
官方微信号