[发明专利]基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法

说明书

基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法，由人体运动捕捉与分析系统、地反力采集与分析系统、肌肉力求解系统、骨骼肌肉系统应力应变分析系统组成。本发明首先采用运动捕捉系统对人体在体三维生理运动的姿态进行捕捉，通过数据进行处理，提取人体各关节的运动学数据，再通过地反力采集与分析系统，采集与分析人体在体生理运动时的足部地反力，并通过肌肉力求解系统，求解计算出相应运动下的关节力和肌肉力，最后将运动学数据、动力学数据和肌肉力输入骨骼肌肉组织应力应变分析系统，实现在体生理运动下的骨骼肌肉组织的应力应变的计算和分析。本发明实现了对人体在体生理运动条件下的骨骼肌肉组织应力应变的无损分析。

技术领域

本发明涉及生物力学领域，具体涉及基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法。

背景技术

骨骼肌肉系统是生物体实现各种运动的物质基础，是生物体动力学交互作用的根本，运动过程中骨骼肌肉组织的应力应变特性是生物力学研究的主要内容之一；人体骨骼肌肉组织的应力与应变与骨骼肌肉组织的受力情况和健康状态息息相关，骨骼和肌肉损伤后会影响骨骼肌肉组织的应力和应变值，通过对在体生理运动下的人体骨骼肌肉组织的应力应变进行分析，可以帮助监测和预测骨骼和肌肉组织的健康状态，辅助临床诊治；同时，对于在体生理运动下的人体骨骼肌肉组织的应力应变分析，为深入解析目前未知的人体骨骼肌肉系统的生物力学特性提供了重要方法，具有重要的科学意义和价值。

文献调研表明，目前人体骨骼肌肉组织的应力应变数据获取主要包括两种测量与分析方法：1)通过植入传感器采集数据并分析应力应变；2)通过建立骨骼肌肉系统的有限元模型进行应力应变分析。植入传感器的方法目前多在手术患者手术时进行同步植入，属于有创测量，对于健康人来说由于伦理限制等原因，该方法不易或无法进行；因此，许多学者多采用有限元方法对骨骼肌肉组织的应力应变进行分析；在进行有限元分析时，早期研究中边界和载荷条件数据来源于尸体试验测得的生物力学数据，为离体数据，无法反映人体的真实在体生理运动情况。近年来研究中，施加在模型的边界和载荷数据来源于活体的试验数据，包括地反力数据和肌肉力数据，这些数据可以反映人体的真实在体生理运动情况。其中，地反力为力板试验测得的数据，反应人体足部与外界的交互作用；肌肉力是人体各种生理运动的动力来源，是影响运动时骨骼肌肉组织应力应变的主要因素之一，获取的肌肉力数据的准确性对于骨骼肌肉组织应力应变的有限元分析具有至关重要的作用。目前，肌肉力数据大多来源于肌电信号解析所得的肌肉力，肌电信号在采集的过程中容易受到外界噪声的干扰，且仅能采集浅层肌肉信号，因此准确性和实用性还不够理想；另一种肌肉力获取方法是通过超声检测获取肌肉力，虽然可以获取所有肌肉的肌肉力，但是仅能获取静态的肌肉力，无法对生理运动的全过程数据进行采集，且是一种结合假定肌肉刚度的估算方法，并不能对肌肉力数据进行准确计算；为解决肌肉力数据的准确性，学者们开始通过建模计算的方式，通过运动学和动力学数据，逆向计算肌肉力，获得准确的肌肉力数据，并将其作为有限元分析的载荷和边界条件。

目前，在骨骼肌肉系统的有限元分析方法中，载荷的施加均为静态或准静态的地反力、关节力、关节力矩和肌肉力等，这些静态或准静态的载荷无法用于仿真分析人体在体生理运动过程中的真实应力应变；由上述分析可知，目前仍然没有简便可靠的方法对在体生理运动下的人体骨骼肌肉组织的应力应变进行全过程的无损准确分析，亟需通过新的方法解决在体生理运动下的人体骨骼肌肉组织应力应变的无损准确分析问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术上存在的问题，而提供一种基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法。

本发明基于在体生理运动数据，通过模型计算求解应力应变，真正意义上实现了对人体骨骼肌肉组织的应力应变的在体、无损、准确计算。

一种基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法，包括光学三维运动捕捉与分析系统、地反力采集与分析系统、肌肉力求解系统、骨骼肌肉组织应力应变分析系统；