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1、屮國礦業(yè)丈拷2014級亟士研究生選題報告選題名稱：人體下肢力學(xué)建模及仿真研究學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院學(xué)科專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究生姓名：林玉屏導(dǎo)師姓名：胡而已中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)位管理辦公室制2016年1月19日1課題題目人體下肢力學(xué)建模及仿真分析。2課題來源本論文的研究課題來源于國家口然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275512)：《人工競關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)裝備動態(tài)特性及系統(tǒng)穩(wěn)定性研究》。3選題背景及研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類文明發(fā)展到一?個新的吋期⑴。生活水平的提高使人們越來越注重自身的健康和生活保健。工業(yè)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展在一方面給人類帶來便利和舒適，
2、同時，在另一方面也給人類帶來了內(nèi)在和外在的傷害，由于肌體組織的病變、衰竭、老化或各種意外情況的傷害均對器官造成了破壞使其喪失原有功能。通過現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)和設(shè)備替換人體病變或損傷組織器官，是臨床驗(yàn)證的有效治療途徑⑵。目前臨床上通常采用關(guān)節(jié)置換術(shù)來治療晚期關(guān)節(jié)疾病和嚴(yán)重的骨折，例如股骨頸骨折、股骨頭壞死，骨性關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、強(qiáng)直性脊柱炎等等，置換術(shù)主要口的是解除關(guān)節(jié)部位的疼痛、保持關(guān)節(jié)穩(wěn)定、改善關(guān)節(jié)功能、調(diào)整雙下肢長度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在每年全枇界僅全髓置換手術(shù)就有約50萬例，而且該數(shù)字仍在增長⑴譏在這些患者屮大約有33%的人因?yàn)橹?/p>
3、期性的脫臼、關(guān)節(jié)疼痛等各種原因需要進(jìn)行關(guān)節(jié)返修術(shù)，只有60%的患者能夠完全消除以上癥狀⑹。因此，為了減少患者的痛苦，降低關(guān)節(jié)置換術(shù)的返修率，使患者重新獲得堪比健康人體的日?；顒幽芰Γ由钊氲亓私馊梭w下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性和人工關(guān)節(jié)的作用機(jī)理，以及提高關(guān)節(jié)假體測試試驗(yàn)機(jī)的性能是至關(guān)重要的?？谏鲜兰o(jì)70年代以來，人們利用多種方法和手段試圖對人體生命系統(tǒng)進(jìn)行深入細(xì)致的研究⑹。但由于人體的運(yùn)動涉及到各個器官的綜合作用，是一個極其復(fù)雜的控制過程，口前很多方面的特性仍不被人自身所了解。人體運(yùn)動的研究涉及力學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)等多種學(xué)科，生物力學(xué)便是
4、應(yīng)用力學(xué)基木原理和方法對生物體的運(yùn)動和變形問題進(jìn)行定量研究的學(xué)科⑺嘰按照研究對象的不同，生物力學(xué)可以分為生物固體力學(xué)、生物流體力學(xué)以及運(yùn)動生物力學(xué)三個部分⑼。其中,運(yùn)動生物力學(xué)是運(yùn)用理論力學(xué)(靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué))的基木原理結(jié)合人體生理學(xué)、解剖學(xué)對人體的外在機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行研究的學(xué)科a】。它是20世紀(jì)60年代在體育運(yùn)動、計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動下形成的。運(yùn)動生物力學(xué)的研究涉及機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)、力學(xué)、組織學(xué)等，具有多學(xué)科交義的特點(diǎn)隨著摩擦學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、材料科學(xué)的快速發(fā)展，人類對運(yùn)動生物力學(xué)的研究日益重視。有關(guān)人體運(yùn)動生
5、物力學(xué)分析的研究中，以步態(tài)分析開展最為廣泛，運(yùn)用步態(tài)分析技術(shù)可以對步長、步頻、時相與周期、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力等多種指標(biāo)進(jìn)行量化說】。迄今為止，步態(tài)分析已經(jīng)有100多年的歷史，但是真正進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段只有10多年的時間。進(jìn)行步態(tài)分析的意義在于：一方面可以通過對特定人群進(jìn)行步態(tài)分析，建立具有區(qū)域特性的人體運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)庫，從而為人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；另一方面，在康復(fù)治療中，通過定量分析患者步態(tài)參數(shù)，叮以深入了解患者的康復(fù)狀況，同時為優(yōu)化治療方案提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)l，3)，4,o從生物醫(yī)學(xué)工程的角度考慮，人體運(yùn)動生物力學(xué)研究的意義主要集中在以下
6、幾個方血：(1)通過對人體運(yùn)動(通常是步態(tài)運(yùn)動)進(jìn)行分析研究，可以輔助醫(yī)生對某些運(yùn)動功能障礙疾病進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，從而可以及時有效的預(yù)防疾病的發(fā)展或制定合適的治療方案。另一方面，通過對人體在不同運(yùn)動情況卜?的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析研究,可以深入了解人體的運(yùn)動機(jī)理［⑸，從而為運(yùn)動創(chuàng)傷的預(yù)防提供理論依據(jù)。(2)由于仿真技術(shù)具有無創(chuàng)傷性及高效性，近年來被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如通過建立人體關(guān)節(jié)模型，可以對關(guān)節(jié)在口常運(yùn)動中的生物力學(xué)特性進(jìn)行分析［⑹，從而為人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。而人體運(yùn)動分析技術(shù)在醫(yī)學(xué)仿真研究中起著十分重要的作用"I,仿真分析所
7、需的力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)均需要通過人體運(yùn)動分析來獲得。(3)通過現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)和設(shè)備替換病變器官，使患者恢復(fù)器官機(jī)能。通過人體運(yùn)動分析技術(shù)對患者的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行研究，并與健康人的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,可以有效地評估患者的康復(fù)狀況［岡。(4)通過對體育運(yùn)動中的人體運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行研究，可以指導(dǎo)運(yùn)動員的口常訓(xùn)練，從而有效提高運(yùn)動員的競技水平。同時，通過人體運(yùn)動生物力學(xué)分析還可以避免易導(dǎo)致身體傷害的運(yùn)動形式。然而，雖然目前對人體運(yùn)動生物力學(xué)的分析己開展了深入的研究，但是由于人體口身的復(fù)雜性以及研究條件的限制，目前的研究還存在一定的缺陷。主要表現(xiàn)在：
8、(1)我國人體運(yùn)動生物力學(xué)的研究起步較晚，有關(guān)國人下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動數(shù)據(jù)不是很完善，因此臨床上采用的人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品大都依賴歐美進(jìn)口，而這些產(chǎn)品是按照西方人的身體和運(yùn)動特性設(shè)計(jì)的，不能很好的滿足我國患者的需求［⑼；(2)對于髓、
