人体下肢力学建模及仿真分析word资料22页.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流人体下肢力学建模及仿真分析【精品文档】第 19 页中 国 矿 业 大 学2014 级 硕 士研究生选题报告选题 名称： 人体下肢力学建模及仿真研究 学 院： 机电工程学院 学科 专业： 机械设计及理论 研究生姓名： 林 玉 屏 导师 姓名： 胡 而 已 中国矿业大学学位管理办公室制2016年1月19日 1 课题题目人体下肢力学建模及仿真分析。2 课题来源本论文的研究课题来源于国家自然科学基金项目(51275512)：人工髋关节仿生试验装备动态特性及系统稳定性研究。3 选题背景及研究意义随着科学技术的进步，人类文明发展到一个新的时期1。生活水平的提高使人们

2、越来越注重自身的健康和生活保健。工业的进步和技术的发展在一方面给人类带来便利和舒适，同时，在另一方面也给人类带来了内在和外在的伤害，由于肌体组织的病变、衰竭、老化或各种意外情况的伤害均对器官造成了破坏使其丧失原有功能。通过现代医学技术和设备替换人体病变或损伤组织器官，是临床验证的有效治疗途径2。目前临床上通常采用关节置换术来治疗晚期关节疾病和严重的骨折，例如股骨颈骨折、股骨头坏死，骨性关节炎、风湿及类风湿性关节炎、强直性脊柱炎等等，置换术主要目的是解除关节部位的疼痛、保持关节稳定、改善关节功能、调整双下肢长度。据统计，现在每年全世界仅全髋置换手术就有约50万例，而且该数字仍在增长3-5。在这些

3、患者中大约有33%的人因为周期性的脱臼、关节疼痛等各种原因需要进行关节返修术，只有60%的患者能够完全消除以上症状6。因此，为了减少患者的痛苦，降低关节置换术的返修率，使患者重新获得堪比健康人体的日常活动能力，更加深入地了解人体下肢关节生物力学特性和人工关节的作用机理，以及提高关节假体测试试验机的性能是至关重要的。自上世纪70年代以来，人们利用多种方法和手段试图对人体生命系统进行深入细致的研究6。但由于人体的运动涉及到各个器官的综合作用，是一个极其复杂的控制过程，目前很多方面的特性仍不被人自身所了解。人体运动的研究涉及力学、解剖学、生理学等多种学科，生物力学便是应用力学基本原理和方法对生物体的

4、运动和变形问题进行定量研究的学科7, 8。按照研究对象的不同，生物力学可以分为生物固体力学、生物流体力学以及运动生物力学三个部分9。其中，运动生物力学是运用理论力学(静力学、运动学及动力学)的基本原理结合人体生理学、解剖学对人体的外在机械运动进行研究的学科10。它是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。运动生物力学的研究涉及机械学、生物学、生理学、力学、组织学等，具有多学科交叉的特点11，随着摩擦学、医学、生物技术、材料科学的快速发展，人类对运动生物力学的研究日益重视。有关人体运动生物力学分析的研究中，以步态分析开展最为广泛，运用步态分析技术可以对步长、步频、时

5、相与周期、关节角度、关节力等多种指标进行量化12。迄今为止，步态分析已经有100多年的历史，但是真正进入临床实验阶段只有10多年的时间。进行步态分析的意义在于：一方面可以通过对特定人群进行步态分析，建立具有区域特性的人体运动学数据库，从而为人工关节的设计提供参考依据；另一方面，在康复治疗中，通过定量分析患者步态参数，可以深入了解患者的康复状况，同时为优化治疗方案提供了实验基础13, 14。从生物医学工程的角度考虑，人体运动生物力学研究的意义主要集中在以下几个方面：(1) 通过对人体运动(通常是步态运动)进行分析研究，可以辅助医生对某些运动功能障碍疾病进行准确诊断，从而可以及时有效的预防疾病的发

6、展或制定合适的治疗方案。另一方面，通过对人体在不同运动情况下的运动规律进行分析研究，可以深入了解人体的运动机理15，从而为运动创伤的预防提供理论依据。(2) 由于仿真技术具有无创伤性及高效性，近年来被广泛应用于医学领域，比如通过建立人体关节模型，可以对关节在日常运动中的生物力学特性进行分析16，从而为人工关节的设计及优化提供依据。而人体运动分析技术在医学仿真研究中起着十分重要的作用17，仿真分析所需的力学、运动学、动力学参数均需要通过人体运动分析来获得。(3) 通过现代医学技术和设备替换病变器官，使患者恢复器官机能。通过人体运动分析技术对患者的运动参数进行研究，并与健康人的数据进行对比分析，可

7、以有效地评估患者的康复状况18。(4) 通过对体育运动中的人体运动参数进行研究，可以指导运动员的日常训练，从而有效提高运动员的竞技水平。同时，通过人体运动生物力学分析还可以避免易导致身体伤害的运动形式。然而，虽然目前对人体运动生物力学的分析已开展了深入的研究，但是由于人体自身的复杂性以及研究条件的限制，目前的研究还存在一定的缺陷。主要表现在：(1) 我国人体运动生物力学的研究起步较晚，有关国人下肢关节的运动数据不是很完善，因此临床上采用的人工关节产品大都依赖欧美进口，而这些产品是按照西方人的身体和运动特性设计的，不能很好的满足我国患者的需求19；(2) 对于髋、膝关节的一些生物力学特性还存在一

8、定的争议，有待深入了解，比如，对于骨关节炎的发病机理20、软骨的退化机制21, 22、韧带修复的远期生物力学效果23等等；(3) 由于磨损、松动、感染等原因导致的人工关节失效问题大大的限制了其使用24, 25，需要从材料、造型等方面对目前的人工关节产品进行优化设计，以降低摩擦磨损，延长使用寿命。针对以上所述问题，本文以人体下肢髋关节为主要研究对象，运用当今运动生物力学的先进研究方法及仿真手段，从生物学、力学的角度出发，通过对健康人及关节损伤患者的运动生物力学行为进行实验和仿真研究，为国人关节运动数据库的建立提供数据支撑，同时为深入揭示人体运动规律、运动创伤的预防和康复以及人工关节的优化设计提供

9、理论支持。4 人体下肢解剖结构人体是一个复杂的机构，由众多的骨骼、肌肉、韧带、神经等部分组成26。人体下肢是人体重要的承重和运动部分，下肢在人体前方以腹股沟、髂嵴前部与腹部分界，在后方以髂嵴后部与腰部分界，在内侧以股沟与会阴分界。下肢可分为臀部、股、小腿和足四部分。下肢由髋骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨和足骨组成27，包括人体最大的三个关节：髋关节、膝关节和踝关节28。本章主要介绍髋关节和膝关节的解剖结构。4.1 髋关节的解剖结构髋关节是人体最大的负重关节，主要是由骨盆上的髋臼、股骨近端的股骨头以及圆韧带、软骨等一些软组织构成，属于典型的球窝结构29。它具有良好的内在稳定性，同时也有很大的活动性3

10、0。 图1所示为髋关节的解剖结构图。髋臼位于骨盆外侧面中部，面向下、前外侧方，外展角约为40-47，前倾角约为4-2031，其大体为半球形，半径约1525 mm，被一层2mm 左右的半月形透明关节软骨覆盖。髋臼窝位于髋臼内部最深处中间位置，表面没有软骨层，而是由哈佛腺充填32, 33，在关节运动过程中，哈佛腺随着关节压力的变化吸入或排除关节液，从而使关节内压力始终处于平衡的状态。髋臼的关节面和曲率半径与股骨头的关节表面非常适应，股骨头完全被髋臼包围，这使得髋关节不可能产生平移运动。另外，在髋臼外缘有一层环形关节盂唇34，在一定程度上增加了髋臼的宽度和深度，从而可以将股骨头的大部分包容起来，提高

11、髋关节的内在稳定性。图1 髋关节解剖结构图骨性结构所形成的约束性质使得髋关节很少需要韧带和软组织加固。髋关节的软骨主要位于关节的前面、侧面，包围了关节半球的三分之二左右。在生理负荷作用下软骨可均匀传递负荷，扩大关节负重面，减少接触应力，缓冲震荡，可以在关节面相对运动时把摩擦和磨损降低到最小限度35。股骨头上的软骨在中心处最厚，而髋臼内部的软骨在关节窝上部最厚，关节内软骨位置与髋关节所承担的负荷及预期的关节位移方向一致。另外，关节囊以及连接在骨盆和股骨头之间的数条韧带为髋关节提供了附加的被动约束，防止髋臼和股骨头之间的相对位移。对于髋关节来说，外展角和前倾角是两个重要的生理学和解剖学参数36，它

12、们在髋关节的运动生物力学行为中起着非常重要的作用，长期的进化使得这两个参数能够很好的适应髋关节以矢状面运动为主的生物力学特性。其中，外展角的具体定义为髋臼球体中心轴与人体身体垂直轴所组成的夹角37。外展角与关节的稳定性之间有直接的联系，当骨盆绕身体横轴前倾角度为60-70时，外展角达到最大，此时股骨头被髋臼包围的面积也达到极值，因此髋关节最为稳定。而随着骨盆前倾角度的变化，不管是前倾增加还是减少，都会导致外展角变小。另一方面，前倾角的定义为身体矢状面与髋臼边缘开口所构成的平面之间的夹角38。前倾角在维持髋关节的弯曲稳定性方面起着一定的作用，一方面可以使髋关节具有较大的屈曲度，适合人类的直立运动

13、形式；另一方面还可维持髋关节的稳定性。当髋关节在矢状面内做屈曲运动时，前倾角从上到下不断增加，使得髋臼前缘不会阻碍髋关节的运动，保证髋关节具有较大的屈曲活动度。同时，髋臼前倾角在一定程度上还受其前缘及后缘形态的影响。由于每个人的髋臼前、后缘形态不同，因此前倾角在不同个体中有比较大的差异。比如，在身体近端，髋臼后缘呈直线形，而在远端则呈曲线形；与后缘相比，前缘的形态变化较多，一般有直线形、曲线形、不规则形等。髋关节既具有良好的内在稳定性，也具有灵活的活动性，其类似球轴承的结构能够保证完成日常生活中所需的行走、下蹲、下跪等动作。在身体的矢状面、冠状面和横断面三个平面内，髋关节的主要活动可分解为弯曲

14、-伸展、外展-内收、外旋-内旋。这三种分运动的活动范围不尽相同，以矢状面内的弯曲-伸展运动范围最大，一般为屈曲140，伸展15。与矢状面相比，髋关节在冠状面和横断面内的活动范围都较小，外展角度范围0-30、内收角度范围0-25、外旋角度范围0-90、内旋角度范围0-70。当髋关节处于直立位时，旋转幅度较小，大约为45。有许多学者对人体日常运动中的关节运动角度进行了研究，比如：在走路过程中，髋关节的屈曲角度变化范围为-5-40，而内收/外展及内旋/外旋的角度范围为+5-5；与走路相比，在上台阶过程中髋关节的活动范围较大，其中屈曲角度范围可达67，内收/外展及内旋/外旋角度范围分别为28和26。4

15、.2 膝关节的解剖结构膝关节是由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成39，其中髌骨与股骨滑车组成髌股关节40，股骨内、外髁与胫骨内、外侧平台分别组成内、外侧胫股关节41。日常生活中，膝关节承受很大的负荷。这些负荷的大小取决于：活动的种类(平地行走、跑步、上下楼梯等)，膝关节外的解剖异常(例如髋关节强直、胫骨内翻畸形)，个人习惯和身体特点(例如生活方式、姿势、体重和运动的速度)42。膝关节的解剖结构如图2所示。图2 膝关节解剖结构图与髋关节不同，膝关节的稳定性主要靠静态约束维持，交叉韧带和侧副韧带是限制膝关节运动的主要结构43。其中，前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament，

16、ACL)起于股骨切迹后方，沿着股骨方向止于胫骨前端，它是对抗胫骨相对股骨向前滑移的主要静态稳定结构，同时前交叉韧带在对抗膝关节的内旋、内外翻中也起到一定的作用44。从功能上，前交叉韧带可以分为前内侧束和后外侧束。当膝关节屈曲90时，前内侧束承受较大的张力，而当膝关节处于伸展位时，后外侧束则承受较大的张力45。有研究指出，在膝关节处于伸展位时前交叉韧带承受75%的前向关节力，而膝关节弯曲30和90时，这一数值高达85%46，可见前交叉韧带在限制胫骨前移中发挥着重要的作用。后交叉韧带(Posterior Cruciate Ligament，PCL)起自股骨髁间窝中内侧髁的外侧面，止于内外侧关节面之

17、间的胫骨沟。后交叉韧带被认为是膝关节的主要稳定结构，因为它位于关节的旋转中心，其坚强度是前交叉韧带的两倍45。后交叉韧带的主要作用是限制胫骨相对股骨向后滑移，同时还起到限制膝关节外旋、内外翻的作用44。在膝关节屈曲30和90的情况下，它承受着85%的后向关节力47。后交叉韧带也可以分为前外侧束和后内侧束两部分。在膝关节屈曲时前外侧束紧张，而膝关节伸展时后内侧束处于紧张状态。内侧副韧带(Medial Collateral Ligament，MCL)起于股骨内上髁，大约延伸10cm，止于胫骨上，有深浅两层纤维，浅层成三角形，甚为坚韧，深层纤维与关节囊融合，部分并与内侧半月板相连，是膝关节主要的内侧

18、稳定器。Warren等48指出内侧副韧带的浅层对膝关节的稳定性贡献最大。内侧副韧带的主要作用是限制膝关节外翻以及胫骨的外旋和平移44。内侧副韧带分为垂直束和斜束两部分，它们在屈膝时发挥不同的作用。随着膝关节屈曲角度的增加，后内侧关节囊等结构发生松弛，因此内侧副韧带的重要性不断增加，其产生的限制力从57%增加至78%。外侧副韧带(Lateral Collateral Ligament，LCL)起于股骨的外上髁，止于腓骨头的外侧表面，是对抗内翻应力的主要静力性支持结构。在膝关节伸展位时，外侧副韧带承受着大约55%的内翻力矩49。4.3 人体髋、膝关节的损伤人体髋、膝关节是人体重要的承重关节，它们是

19、促进人体运动的核心部件，由于关节受力的复杂性和突然性，关节损伤在日常生活中比较普遍见。髋、膝关节的损伤可以分为功能性损伤和结构性损伤两大类。功能性损伤主要是指关节内部病变产生的损伤，如骨关节炎等。骨关节炎的临床表现主要为关节软骨变薄，发生退行性变，关节疼痛，同时运动能力受限。对于骨关节炎产生的具体原因，目前尚不明确。有研究指出力学因素可能导致骨关节炎，例如，膝关节韧带和半月板的损伤会在受伤后10年内导致明显的骨骼重塑和软骨改变，而软骨自身的愈合能力十分有限，长期的软骨缺损会导致严重的骨性关节炎。Lohmander的研究表明，42%的女性足球运动员在损伤前交叉韧带12年后出现了膝关节骨性关节炎的

20、症状50。对于未接受韧带重建手术的运动员，韧带损伤11年后发生膝关节骨性关节炎的概率高达44%，而由于骨关节炎他们在63岁前接受关节置换术的概率高达50%51。另外，举重等运动项目长期给关节施加过度载荷，也容易导致骨关节炎的发生。Kujala等52研究发现膝关节骨性关节炎(髌股或胫股关节炎)在足球运动员中的发病概率为29%，在长跑运动员中为14%，在举重运动员中高达31%。其中，胫股关节炎在足球运动员中的发病率最高，为26%，髌股关节炎在举重运动员中的发生概率最高，为28%。结构性损伤是指由于车祸、摔伤以及运动等高能量暴力性撞击引起的髋、膝关节损伤。如今越来越多的年轻人参加到众多的体育活动中，

21、外伤导致的关节软骨损伤、韧带损伤等变得非常多见。据统计，所有膝关节韧带损伤中前交叉韧带损伤占的比例为 61%，主要是由于膝关节的剧烈扭动、慢跑急停、跳跃着地、或是直接的膝部撞击等造成的，是典型的非接触性损伤53。在美国每年前交叉韧带重建手术的数量超过40万例，在我国运动员前交叉韧带损伤的总发病率为0.47%54, 55；后交叉韧带损伤比前交叉韧带损伤少见，常发生于膝内翻损伤、膝关节屈曲90着地，或过屈位胫骨前侧受撞击后移等情况。内侧副韧带损伤的原因主要是身体力量不足或准备活动不充分导致小腿突然外展外旋或大腿突然内收内旋，同样多见于足球运动员56。由于身体条件等方面的差异，无论是功能性损伤还是结

22、构性损伤都具有明显的性别特征。比如，在体育运动中女性运动员前交叉韧带损伤的概率大概是男性运动员的2-9倍57，膝关节骨性关节炎在女性当中的发病率为男性的2-3倍，具体到我国，在年龄60岁以上的人群中，男性患膝关节骨性关节炎的概率为5.6%，而女性的发病率则高达15%，大约是男性的3倍。另外，在韧带损伤重建后，女性也表现出与男性不一样的生物力学特性。与男性相比，在前交叉韧带重建术后7年女性表现出了更大的膝关节松弛度58，而后交叉韧带重建后女性膝关节的后向松弛度明显低于男性59。国内外专家对关节损伤病人进行了广泛的生物力学研究，但关于造成上述性别差异的原因还存在争议。目前研究的焦点主要集中在男女身

23、体结构特性、力量、股四头肌作用角、关节松弛度以及肌肉活动形式等方面的差异。5 国内外研究现状分析5.1 下肢生物力学的国内外发展概况人类对自身运动的研究是从研究下肢运动开始的60, 61。最早有关人体运动的研究可以追溯到公元前，古希腊哲学家亚里士多德观察并分析了人体走路的全过程。1901年美国摄影师Muybridge发表了专著运动中的人体，为人体运动的影像测量和分析奠定了基础。19世纪60年代，首届国际生物力学研讨会在瑞士举行，为人体运动生物力学研究在国际上的发展和合作奠定了基础。如今，随着科技的进步，特别是计算机技术和高精度测量技术的发展，三维运动捕捉62、三维动态测力63、多通道肌电测量6

24、4等技术广泛应用于人体运动生物力学分析中，不仅提高了人体运动分析的精度和广度，而且为人体动力学模型的建立及仿真分析提供了不可或缺的实验数据。在国外，运动生物力学的研究不仅在应用领域发展很快，在理论与方法的研究上也取得了很大的成就，就人体下肢建模而言，Abdel-Rahman E65和Kim S66的二维人体膝关节动态建模，Bodduna H67和Tarnita D68的人体膝关节三维动力学建模，还有人体跳高的最优控制模型，都是针对下肢的构造进行建模。我国运动生物力学的研究能力和研究水平也已取得很大的进展。在应用研究领域，尤其是对优秀运动员的各项技术诊断，已具备相对完善的检测条件，并积累了比较丰

25、富的实验数据，其中不乏富有创造性的研究成果，受到了竞技体育界的普遍好评。比较而言，运动生物力学的理论研究和研究方法积累还比较少，研究内容不够丰富，也不够深入，这种理论和方法基础的相对薄弱成为制约我国运动生物力学发展的主要因素。5.1.1 人体运动信息的获取人体运动的分析需要完成基本任务有三个：第一，从观察的场景中提取运动人体的具体位置信息；第二，人体运动的跟踪和标识；第三，行为理解(即对运动过程的一个分析)。一般所提到的人体运动的跟踪和分析，就是从图像序列或视频中获取人体运动的信息，并且对它进行分析和识别等工作，目前获取人体运动信息的主要方法有两个69, 70：(1) 在人体的各个关节上安放位

26、置传感器，在人体的运动过程中，传感器不断地将各个采集部位的信息以模拟信号的形式传出，通过模数变换，将传感器的位置信息传递给计算机，计算机根据所获得的位置信号的信息计算，显示人体在运动过程中的各项参数。这种方式采集人体的运动信息速度快，准确度高，但是也存在一些缺陷，由于在人体的身上安放了传感器，导致人体运动不方便，并且对前期工作要求比较严格，传感器的安放也比较麻烦。(2) 利用图象处理技术对人体各个姿态进行分析，图像的采集可由多个摄像机进行拍摄，或者由单个摄像机在相对于人体的各个不同的角度拍摄来完成。通过对采集的序列图像进行理解，分析和三维重建来分析运动状态、位置信息。由于此种方式对运动人体的限

27、制比较小，所以相比于上一种方案更有实用价值。目前，对人体运动进行分析普遍采用的是三维运动图像捕捉技术，它的工作原理是通过贴附在身体上的运动传感装置对人体的三维运动进行实时采集，然后将采集到的身体运动数据传输到主控计算机，并利用数学分析方法进行分析处理，进而得到准确的人体运动学数据。三维运动捕捉技术可以精确地对人体各部位的三维运动进行记录并分析，按照工作原理和数据采集方式的不同，可以将目前常用的运动捕捉系统分为两类：高速摄影运动捕捉系统和红外反光运动捕捉系统。其中，高速摄影运动捕捉系统是利用高速摄像机记录人体的运动，并对其进行分析处理的系统。由于其数据处理量大，且易产生较大的人为误差，因此目前普

28、遍采用的是红外反光运动捕捉系统。它是利用红外反光材料制成标记点，贴在身体的重点部位，工作时红外摄像机发出红外线以探测这些标记点的位置，通过记录标记点位置的变化，运用数值方法便可得到人体各关节的运动参数。目前市场上常见的三维运动捕捉系统有英国的VICON系统、美国的APAS系统以及加拿大的NDI系统等。5.1.2 运动生物力学研究方法目前，运动生物力学的研究对象是人体内部运动器系和表现于外部的人体整体机械运动特征。为了便于研究，运动生物力学理论方法的关键是建立人体运动的力学模型来描述运动。大体有两种方法。第一种方法是人体系统仿真研究方法，第二种方法是应用多刚体系统动力学的理论建立力学模型。在运动

29、生物力学研究中，大多数力学系统的运动都受牛顿运动定律的控制，所以建立的模型都以牛顿力学系统的数学形式来表示。实验方法和理论模型两者结合的综合研究日趋增加，Jo YN的在上升运动中人体下肢肌肉和骨骼的作用力评估71，上海体育学院魏文仪教授的跳远起跳的计算机模拟和南京体育学院钱竞光教授的跳水“压水花”，沈阳体育学院闫红光教授的“自由式滑雪”技术分析，均是理论模型和实验方法较好结合的范例。2006年北京体育大学刘卫国等对跳板跳水的生物力学进行研究72，通过对人体运动姿态信息的采集，分析跳板跳水技术性强的助跑、起跳技术，介绍国内外不同时期有关跳板跳水运动技术研究方法的进展和研究成果，并对人-板系统的一

30、些力和能量的问题进行初步的理论探讨。主要的建模方法有动力学普遍定理，拉格朗日方程，Newton-Euler法，Kane方法，R/W方法和Hazte方法。(1) 动力学普遍定理牛顿运动定律的目标是建立质点运动与受力之间的定量关系，对于质点所组成的系统，则通常用系统的动力学进行描述，利用该系统若干动力学变量，建立系统受力和这些动力学量之间的定量关系就是动力学普遍定理。动量定理： (1)动量矩定理： (2)动能定理：， (3)(2) 拉格朗日方程在力学分析中，建立受约束的质点动力学方程，拉格朗日方程73是一个很有利的工具。它的表达式是： (4)式中：qj表示系统运动的广义坐标；n为系统的自由度数；T

31、为系统的动能；Qj表示与广义坐标qj相对应的广义力。(3) Newton-Euler法在刚体力学的研究中，将刚体在空间的一般运动分解为随其上某点的平动和绕此点的转动，分别用牛顿定律和欧拉方程处理，这种方法很自然地被推广到多刚体系统动力学研究中。德国学者Schiehlen在这方面做了大量的工作，方法就是在列出系统的Newton-Euler方程之后，将笛卡尔广义坐标变换成为独立变量，对完整约束系统用达朗伯原理消去约束74，对非完整约束系统用Jourdain原理消去约束，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程。(4) Kane方法20世纪60年代，美国斯坦福大学Kane教授提出了一种列写系统动力学

32、方程的规范化方法，后来被称为Kane方法75。Kane方程简单的表述为： (5)式中：Kr为广义主动力，Kr*为广义惯性力。(5) R/W方法在20世纪60年代，美国的Roberson和德国的Wittenburg首先将数学中的图论引入动力学，因为能较好地解决问题，后来人们把这种建模方法就被称作R/W方法76。 (6) (7) (8)式中：表示相对转角列矩阵；m表示系统的质量阵；J表示系统的惯量张量阵；T表示通路矩阵；C表示铰点位置的加权关联阵；p表示铰链转轴方向的转轴矩阵；F表示主动力主矢列阵；L表示主动力主矩列阵。(6) Hazte方法Hazte方法建立的人体模型不是一般的多刚体模型，而是人

33、体骨铭、肌肉、神经系统的综合模型77。把肌肉的功能、神经系统的传递都作了合适的力学模拟并用数学形式作了描述。这样的模拟，在理论上的完整性和严密性明显比普通的多刚体模型要好，而且更加接近人体的特征。但从实际运用的操作角度来看，该方法计算十分复杂，很难推广应用。5.2 人工关节置换术的国内外研究现状随着我国人口老龄化程度的加重、人均寿命的延长，对人工关节置换术的医疗需求呈现出迅速增长的趋势。关节成形术arthroplasty一词来源于arthro和希腊语plassein，其意义为由于创伤或疾病造成关节强直时，采用外科手术再形成能活动的关节30。关节置换术经历了早期探索、初步形成和现代发展三个阶段。

34、最早的关节置换术是由英国的Anthony White医生在1822年为一位9岁的坠楼男孩进行的髋关节截骨成形术。在1938年，Smith Petersen从牙科医生使用的钴铬钼合金材料受到启发，制造人工假体并应用于关节置换获得成功。接下来的很短的时间内就发展了30余种髋关节假体，大大促进了人工关节的发展。现代关节置换起源于Charnley提出“采用润滑液润滑假体关节面以获得低摩擦效应是不可能的，应当寻求低摩擦系数的材料来制作假体以达到目的”，从而确定了人工关节低摩擦的理论。现代关节置换术主要从关节材料的选择、固定方式和假体外形的设计几方面来进行改进。目前用于人工关节假体的主要材料为金属，早期使

35、用的316L不锈钢由于在摩擦磨损过程中释放出Ni2+、Cr3+、Cr5+等离子，引起假体松动和下沉，并伴有缝隙腐蚀、摩擦腐蚀、疲劳腐蚀断裂等问题，已逐渐被放弃78。取而代之的是钴基合金和钛合金。其中以Ti6Al4V为代表的钛合金以其优异的生物相容性，良好的耐腐蚀性和具有与人体骨骼相接近的弹性模量得到了越来越广泛的应用，广泛用于人工关节和医疗器械。对于人工髋臼材料的选择，目前绝大多数均采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料，该材料具有良好的生物相容性，材料对人体无害，具有高的冲击韧性、良好的承载能力和高耐磨性和耐腐蚀性79。关节的固定方式主要有骨水泥固定和生物学固定两种方式，其他还有混合型固定

36、，目前临床多采用前两种。骨水泥技术的发展大致可以分为三代80：第一代是指压法，将骨水泥调至面团期时，术者用手将骨水泥塞入骨髓腔和髋臼窝黏合假体；第二代是骨水泥枪的使用；第三代技术是股骨假体柄中位技术、骨水泥真空搅拌技术等。在支持骨水泥固定的专家中，为了避免骨水泥界面的破坏所造成的假体松动，改进关节的外形是方法之一。Oguz Kayabasi81对四种不同新外形的人工假体分别进行有限元分析，通过对比实验得出在各种力学特性表现均较好的假体，提出了计算机辅助假体设计的理念。Dennis80通过研究得出通过注射CAP骨水泥来增强骨的向内生长，以便提高骨骼和骨水泥界面间的抗剪切能力，提高置换质量，获得长

37、期植入效果。Nuno82则对不锈钢假体和PMMA骨水泥的界面摩擦进行了研究，得到了静态情况下的摩擦系数，指出表面粗糙度和压力分布是影响长期植入效果的关键因素。Speirs83通过尸体对骨水泥固定的髋关节假体的稳定性分析，发现在假体和骨水泥界面之间存在有微动，微动的存在对远期植入效果有较大的影响。非骨水泥固定，也称为生物学固定，起源于20世纪70年代，研究重点是假体设计、壳面处理和植入技术。针对生物学固定方式的假体置换，胡年宏84等对假体周围骨密度的变化进行了观察，发现置换术后早期骨密度有不同程度的减少，以假体近端明显，且骨量丢失在术后前三个月最为明显。戴雪松85等对髋臼假体背衬的磨损问题进行了

38、探讨后认为，在放置非骨水泥型假体时应做到“紧密压配”，在已经稳定的前提下没有必要在进行螺钉固定，但髓腔形态各异，能否做到“紧密压配”还有待商榷。针对目前关节置换后所出现的假体松动、假体材料磨损等等不良反应，对行关节置换患者相关的运动学和动态学研究也在展开，对于关节置换术的疗效进行评价，常用的评价体系有用于全髋关节的Harris86-88和Mayo89, 90方法，用于全膝关节的Insall91和Ewald92方法，这些评分系统主要通过对患者的主客观感觉、疼痛状况及临床辅检结果进行评价。关节置换术最终目的是恢复患者正常步态，通过步态分析技术可以对关节假体设计、手术切口和部位的选择及关节置换术后康

39、复治疗提供依据。5.3 研究存在的问题 以上篇章简述了人体下肢运动生物力学的国内外发展概况，以及人工关节置换术的研究现状，从中可以看出，许多学者做了大量的研究工作，也取得了较多的研究成果，极大的推动了人体运动生物力学研究的发展，为人类社会带来了福祉。但是，研究中仍存在一些没有解决的难点及问题，简述如下：(1) 人体下肢系统是一个整体，多数的研究只是单独对某个关节进行分析，缺乏整体性；(2) 在建立人体下肢模型时，大多数研究将肌肉等组织剔除，建立单纯的骨骼模型，不足以表述人体下肢实际的运动情况；(3) 使用针对人体运动仿真的软件进行分析的研究较少，大多数研究仍使用传统的仿真软件。6 研究内容及拟

40、解决的问题6.1 主要研究内容及技术路线根据本课题研究现状以及存在的问题，本文将以人体下肢髋、膝关节为主要研究对象，利用运动捕捉技术采集人体关节在日常活动(包括行走、慢跑、下蹲、下跪)中的运动数据，并加以整理分析，从而为关节疾病诊断与预防、术后康复，以及为适合亚洲人种的人工关节设计提供理论和数据支撑。同时建立人体下肢的肌肉骨骼模型，对其力学行为进行研究，并利用opensim软件对人体下肢日常动作进行仿真。最后，通过建立人工关节置换前后的人体下肢的有限元模型，分析人工关节置换对人体下肢力学行为的影响，包括髋关节置换对股骨头力学行为的影响等，为深入了解骨关节疾病的发病机理、人工关节的优化设计提供参

41、考。本课题的技术路线如图3所示：图3 技术路线基于以上技术路线，本文的主要研究内容为：(1) 针对人体日常步态运动(行走、慢跑)和高屈曲运动(下蹲、下跪)，利用三维运动捕捉系统对国人的下肢关节运动进行测量并采集数据，利用坐标变换和旋转矩阵方法建立人体下肢关节运动学参数计算模型，最后基于visual3D软件分析年龄、人种差异等对人体下肢运动学参数的影响。(2) 建立人体下肢动力学模型，包括一般力学模型和肌肉骨骼模型，将两种模型进行对比，为之后的动力学仿真做基础。(3) 基于opensim的逆向动力学分析方法，对人体步态运动及高屈曲运动进行仿真，得出的结果与第一部分内容比较，分析人体在不同日常动作

42、下，下肢的力学特性以及肌肉作用对下肢运动的影响。(4) 基于有限元分析方法、CT扫面技术，建立人工关节置换前后，人体下肢系统的有限元模型，研究关节置换术对下肢力学特性的影响。6.2 拟解决的关键性问题及难点本课题拟解决的关键问题及难点如下：(1) 人体下肢运动数据的处理在建立人体下肢动力学模型之前，需要对人体下肢的运动学进行研究。本文的研究方法是利用visual3D软件先测得人体在不同动作下的下肢关节角度数据，由于个体差异，每组数据的周期不尽相同，无法进行直观的判断，因此需要对数据进行规格化。(2) 人体下肢动力学模型的建立本课题建立的人体下肢动力学模型是更加贴近人体真实情况的肌肉骨骼模型，为

43、下一章的动力学仿真打下基础。(3) 基于opensim的动力学仿真根据之前的运动学模型和动力学模型，基于opensim软件对人体下肢的几种日常动作进行仿真，分析肌肉对人体运动的影响。(4) 对下肢系统的有限元分析 通过建立人体下肢系统的有限元模型，分析关节置换术对下肢动态特性的影响。7 预期成果、创新点及研究计划7.1 预期成果(1) 建立人体下肢运动学参数计算模型。(2) 建立人体下肢骨骼肌肉模型并进行仿真分析。(3) 发表高水平论文一篇或发明专利一项。7.2 创新点(1) 针对运动学分析中运动周期不同的问题，利用规格化的方法，将每组运动数据的周期都分成101份(0%100%)，以便将多组数

44、据整合分析。(2) 针对人体下肢系统，建立其肌肉骨骼模型和有限元模型，对人体下肢的动力学特性进行分析。7.3 进度安排计划针对本课题的研究内容，制定了相应的学习研究计划，如表1：表1 论文研究计划及预期研究成果研究内容研究时间段预期研究成果准备阶段2015.11-2015.12查询有关人体下肢力学建模及仿真方面的参考文献，初步制定本课题的研究方案和技术路线。运动数据采集及分析2016.1-2016.2以本校为中心，随机选取一定数量的人员配合实验，进行运动数据的采集，之后对数据进行分析。人体下肢动力学建模2016.3-2016.4根据国内外参考文献，建立人体下肢动力学模型。下肢动力学仿真2016

45、.5-2016.7基于前两章的研究，对下肢动力学模型进行仿真。下肢系统有限元分析2016.8-2017.1建立下肢系统的有限元模型，分析人工置换术对人体下肢动力学特性的影响。论文修改及完善2017.2-2017.3对论文进行修改及完善，使论文更具整体性。参考文献1姜海波. 人体下肢关节系统的生物力学行为研究D. 徐州: 中国矿业大学, 2008. 2黄金鑫. 纵跳的人体下肢运动仿真与生物力学研究D. 长春: 吉林大学, 2015. 3何荣新. 全髋关节置换术后关节稳定性的研究D. 杭州: 浙江大学, 2004. 4张正廉. CF/PEEK全髋股骨头假体的研制与生物力学实验研究D. 苏州: 苏州

46、大学, 2004. 5Barbour PSM, Barton DC, Fisher J. The influence of contact stress on the wear of UHMWPE for total replacement hip prosthesesJ. Wear, 1995, 181(95): 250-257. 6Fung YC. Mechanical Properties of Living Tissues, 2nd ednJ. Journal of Applied Mechanics, 1993, 49(2): 1306-1309. 7赵金良, 刘宏骞. 浅谈提高运动

47、人体科学实验教学质量J. 四川解剖学杂志, 2008, 16(2): 55-56. 8李恒, 于巍红, 李井杰等. 正常与病态股骨头应力松弛蠕变流变特性研究J. 中国实验诊断学, 2012, 9: 4499-4500. 9周唯儒. 拓扑优化方法在口腔种植体周围松质骨结构模拟中的应用D. 长春: 吉林大学, 2015. 10郑亚林, 张志峰. 运动状态下骨骼肌肉的生物力学特征J. 中国组织工程研究与临床康复, 2008, 12(28): 5503-5506. 11李世明, 部义峰. 浅析运动生物力学的学科性质J. 安徽体育科技, 2006, 27(3): 40-42. 12韩亚丽, 王兴松. 人体行走下肢生物力学研究J. 中国科学：技术科学,