人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

为了研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理,建立了一个人体下肢有限元模型．模型按人体解剖学结构建立,由髋骨、股骨、胫骨、腓骨、膑骨、足骨、韧带、腱、关节囊以及髋关节、膝关节和踝关节构成．采用了壳单元和线性弹簧-阻尼单元来模拟骨骼和软组织．模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定．通过比较仿真和实验在横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应结果,验证了模型的生物逼真度．分析了在不同加载条件下有限元模型的生物力学响应和应力分布,以及与下肢损伤风险的关系．     

行人汽车碰撞损伤研究中的人体头部有限元建模方法

为了研究行人汽车碰撞事故中人体头部的生物力学响应和损伤机理,建立了一种具有详细解剖学特征的人体头部有限元模型,并且基于国外经典尸体模型实验,验证新建模型的生物逼真度。结果表明,该模型能有效地模拟汽车碰撞事故,为车辆碰撞事故中人体头颈部损伤安全防护装置研制提供理论依据。     

研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证

建立并验证了一个基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型．该模型由颅骨、脑、颈椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节组成,总节点数为17758,单元数21803,模型生物材料特性分别用弹性和粘弹性模型描述．整个头颈部模型应用关国海军生物力学实验室前碰撞志愿者实验及查尔摩斯大学后碰撞滑车实验的数据进行了验证．采用该模型计算了头颈部的加速度、角速度等运动曲线及HIC值．验证结果显示该模型具有较好的生物逼真度,可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题和开发损伤防护装置．     

行人下肢高精度数值模型与损伤参数研究

为了深入研究汽车-行人碰撞过程中下肢的生物力学响应和损伤机理,基于人体解剖学结构建立了具有完整下肢组织结构和高仿生精度的成年男性行人下肢有限元模型.包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨等下肢骨骼以及皮肤、肌肉、韧带、关节囊、半月板等重要软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,提出以CT断面影像数据为依据,建立以真实皮质骨内外表面为边界实现皮质骨断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型,对不同建模方式进行了对比,采用两层实体单元模拟皮质骨以获得相对较高的计算精度和计算效率.通过模拟相关生物力学实验,获得了行人下肢各部位的损伤参数,分析了皮质骨厚度变化以及不同撞击方向对下肢损伤参数和损伤机理的影响.上述损伤参数的获得可为我国汽安全性设计提供参考.     

3岁儿童颈部屈伸运动生物力学响应研究

利用3岁儿童头颈部有限元模型,研究儿童颈部在屈伸运动过程中的生物力学响应.完善了现有3岁儿童头颈部有限元模型,重构儿童颈部弯曲尸体实验,进一步验证了3岁儿童头颈部有限元模型有效性;对比分析了有无肌肉组织对颈部弯曲生物力学响应的影响.结果表明,弯曲仿真实验的力矩–旋转角度曲线与尸体实验力矩–旋转角度曲线相符,该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制.仿真实验中包含肌肉组织模型的颈部旋转角度明显小于无肌肉组织模型,包含肌肉组织模型在弯曲时颈部韧带最大应变小于无肌肉组织颈部模型,在研究儿童颈部生物力学响应时必须考虑肌肉的影响.     

基于汽车碰撞事故的人体头部有限元模型建立与验证

为研究汽车碰撞事故中人体头部损伤机理,建立并验证具有较高生物逼真度的头部三维有限元模型.采用计算机断层扫描和磁共振相结合的医学成像技术,利用数字图像识别和网格剖分技术,获得50百分位人体头部有限元网格.通过碰撞仿真分析,得到撞击力、颅内加速度、颅内典型碰撞位置(碰撞侧、碰撞对侧、上下枕骨)的应力和压力变化规律,并与国外经典的尸体试验数据进行对比分析.仿真分析结果与试验中颅内压力、颅内运动学等生物力学参数吻合良好,能够准确反映真实碰撞过程中人体头部的生物力学响应情况.建立的头部三维有限元模型精确度较高,能够进一步应用于汽车碰撞事故中人体头部损伤力学机理研究.     

头部撞击发动机罩板的力学响应分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立了行人头部和发动机罩板的有限元模型,分析了其碰撞过程中的生物力学响应,并对其结果进行了讨论,得出了影响头部生物损伤的各种因素,为加强行人安全以及汽车安全性问题提供了参考.     

行人膝关节损伤的计算机仿真研究

参照某量产车型建立汽车模型,采用具有较好生物逼真度的多刚体行人模型,建立了汽车与行人碰撞的系统仿真模型.通过改变汽车保险杠、发动机罩等前部结构参数,研究了其对行人膝关节损伤参数的影响,分析了行人腿部与不同前部结构参数的汽车相碰撞的受力特点.提出了适当降低保险杠及发动机罩前端的高度、使汽车前部结构接近流线型、加宽保险杠前端面上下之间的作用宽度等改进汽车前部结构特性的主要措施.     

人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证

根据汽车碰撞事故中人体颈部损伤防护技术研究的需要。建立了一个人体颈部三维有限元模型。该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎骨、椎间盘、小关节、韧带、肌肉和软骨等组织，共由15811个单元构成。各组织的材料特性采用了弹性、粘弹性、和刚性材料模型来描述．模型用前碰撞志愿者实验数据进行了验证。其头部的加速度、位移曲线与实验数据得到了较好的吻合。本文初步研究了软组织特性参数对于颈部运动的影响。该模型具有较高的生物逼真度，可对头颈部在汽车碰撞载荷条件下的加速度、速度、位移等动力学响应参数进行分析研究。     

基于CT图像颈椎有限元模型的建立及验证

针对目前在颈部损伤机理的研究中尚未有适合中国人体型特点的全颈椎有限元模型的情况,采用CT技术获取中国50百分位人体颈椎数据,并以此建立了全颈椎有限元模型.模型采用映射网格划分方法对松质骨、椎间盘和韧带等结构进行了划分,利用现有的颈椎材料参数进行比例和功能缩放来定义稀缺的材料参数.整个模型共有22 512个实体单元,14 180个壳/膜单元,模型解剖结构描述细致、准确.最后通过颈椎离体坠落试验对模型的有效性进行验证,验证结果表明,该模型具有良好的生物逼真度,可应用于研究国人颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机理.     

后碰撞中乘员颈部肌肉有限元模型的建立与验证

建立并验证了具有主动力响应的乘员颈部肌肉有限元模型,用于研究颈部肌肉主被动响应对后碰撞载荷下乘员头颈部动力学响应及颈部损伤的影响.运用50百分位成年男性颈部的MRI数据重建了人体颈部肌肉三维数值模型,采用克里格插值方法将其与头颈基础模型进行匹配.肌肉材料定义采用Ogden材料和Hill材料相耦合的办法以分别模拟肌肉的被动和主动特性.根据Davidsson等人开展的后碰撞台车志愿者试验数据对该颈部肌肉模型进行了验证.结果表明,肌肉激活状态下与未激活时比较,头部质心相对T1位移减小了12mm,头部角位移减小了4°,肌肉主动力影响显著.该模型的数值模拟结果与志愿者试验结果吻合较好,模型具有较高的生物逼真度,可应用于后碰撞中的乘员颈部损伤研究.     

基于Neo-Hookean本构模型的人体膝关节韧带力学性能测试分析

测试和分析研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱,基于超弹性本构模型(Neo-Hookean模型)的力学性能参数,为膝关节相关生物力学研究提供数据参考.通过对4具国人膝关节标本进行解剖,获得人体膝关节主要的韧带组织样本,对所获得的韧带样本进行超弹性材料的单轴拉伸测试,并运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的NeoHookean模型对测试数据进行数据处理,得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数.解析求得了国人膝关节的韧带组织基于超弹性本构模型的力学性能参数,可用于膝关节的生物力学特性的研究,并且为国人膝关节韧带性能数据库提供数据参考.     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到了膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;因为患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;由于患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

不同路况下正常步态特征研究

为系统研究人体步态随路况的变化 ,利用人体运动分析系统采集了多个健康人在上下坡、上下楼梯、平地等路况下行走时的位移 -时间和地面受力数据 ,并利用人体下肢刚体动力学模型 ,计算了各路况下髋、膝、踝关节所需力矩。分析结果表明 ,各路况下人体步态差异很大 ,各关节所提供的力矩各不相同。支撑期上楼梯时所需膝力矩最大 ,摆动期上楼梯和上坡时所需膝力矩均较大。各种情况下不仅力矩的数值不同 ,而且力矩的模式也有很大差异。这些数值结果为了解人体运动规律 ,分析异常步态以及康复方法提供了依据     

前交叉韧带重建术后步行过程中的生物力学特征

 为明确前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）重建术后动作模式的改变情况,应用三维运动捕捉系统和表面肌电系统同步采集ACL重建术后患者在步行过程中的运动学、动力学和肌电数据。结果发现,与健侧相比,术侧膝关节屈曲角度峰值和屈伸活动范围均显著减小,但承重反应期的外旋幅度显著增加;术侧承重反应期膝关节伸直力矩峰值、支撑相末期膝关节屈曲力矩峰值和外旋力矩峰值均小于健侧;术侧股直肌在承重反应期的激活程度、股二头肌和半腱肌在摆动前期的激活程度均大于健侧。结果表明：ACL重建术后6~12个月（7.4±1.3月）步态呈僵硬特征,大腿肌群激活程度增加。建议ACL重建术后针对肌肉功能特征及步态特征的改变进行精准康复干预,改善术后效果。     

基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F_1(t)。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。