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医用生物力学
医用生物力学

戴尅戎

双月刊

1004-7220

021-63138341－5397

200011

上海市制造局路639号

医用生物力学/CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《医用生物力学》主要刊登交流我国学者在生物力学研究中取得的成果和部分国外专家的论文。着重刊登对科研与临床实践有指导意义的论著，同时还开辟综述、讲座、经验交流、研究简报、专题讨论等专栏。内容充实，反映了中国生物力学的研究动向和成果。
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    基于深度相机和神经网络的下肢关节力矩估计

    高飞王正陶王冬梅于随然...
    450-456页
    查看更多>>摘要：目的 通过深度相机和神经网络估计人在直线行走时髋、膝和踝关节的屈伸力矩.方法 利用光学运动捕捉系统、测力板和Azure Kinect深度相机采集20个人的步态信息,受试者被要求以其偏好的步行速度直线行走,同时踏在测力板上.并利用Visual 3D仿真得到关节力矩作为参考值,分别训练人工神经网络(artificial neural network,ANN)模型与长短期记忆(long short-term memory,LSTM)模型进行关节力矩估计.结果 ANN模型估计髋、膝和踝关节的关节力矩的相对均方根误差(relative root mean square error,rRMSE)分别为15.87％～17.32％、18.36％～25.34％和 14.11％～16.82％,相关系数分别为 0.81～0.85、0.69～0.74 和 0.76～0.82.LSTM 模型具有更好的估计效果,rRMSE分别为8.53％～12.18％、14.32％～18.78％和6.51％～11.83％,相关系数分别达到了 0.89～0.95、0.85～0.91和0.90～0.97.结论 本文证实了利用深度相机和神经网络无接触估计人体下肢关节力矩方案的可行性,其中LSTM模型具有更佳的表现.关节力矩估计结果与现有研究相比具有更好的精度,潜在应用场景包含远程医疗、个性化康复方案制定以及矫形器辅助设计等.

    深度相机神经网络下肢关节力矩生物力学仿真

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    连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响

    孔祥飞王洪丹连子瞻姚杰...
    457-462,468页
    查看更多>>摘要：目的 探究连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响.方法 招募27位健康大学生在等速力量测试系统上进行疲劳实验.疲劳实验包括3个疲劳周期,每个疲劳周期至少30次股四头肌连续等长收缩.对比不同疲劳周期的最大被动力矩、平均最大自主收缩(maximum voluntary contraction,MVC)力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值以及协同收缩指数(co-contraction index,CI).结果 疲劳周期3后,最大被动力矩显著下降(P＜0.05).疲劳周期1、2、3过程内平均MVC力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值都显著下降(P＜0.05),然而二者CI全程无显著变化(P＞0.05).结论 股四头肌等长收缩训练剂量为90次的连续疲劳干预会显著影响膝关节主被动生物力学特性.疲劳干预后,膝关节抵抗被动屈伸能力下降.并且随着疲劳干预进程,股四头肌主动收缩能力下降,股四头肌和腘绳肌肌肉激活也下降,但二者肌群协同收缩水平不变.这种温和的肌群协同收缩模式有益于保持良性膝关节力学加载环境.研究结果有助于理解疲劳后膝关节主被动生物力学特性.

    连续疲劳膝关节协同收缩等长收缩生物力学特性

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    中医推拿?法的上肢关节运动角度特征分析

    陈金田周鑫单一鸣朱清广...
    463-468页
    查看更多>>摘要：目的 研究推拿医生㨰法操作中肩、肘、腕关节的运动学及关节协调性变化.方法 应用Vicon三维运动捕捉系统采集10名初学组和10名熟练组推拿医生㨰法操作的运动学数据,比较两组在推拿攘法操作中肩、肘、腕关节的运动模式差异.结果 初学组与熟练组㨰法操作时,肘关节活动角度无显著差异(P＞0.05),其主要差异为腕关节屈伸和肩关节内收外展角度不同,熟练组较初学组㨰法操作时肩关节内收外展活动角度显著更小(P＜0.05),熟练组腕关节掌屈最大角度显著大于初学组(P＜0.05).结论 㨰法的运动学特征主要为腕关节屈伸,肘关节和肩关节旋转,㨰法操作主要是前臂旋转与腕关节屈伸的复合运动,熟练组的"沉肩"操作要领掌握更好.

    中医推拿㨰法运动学关节角度

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    外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

    杜玮瑾陈维毅郭媛
    469-475页
    查看更多>>摘要：目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响.方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态3个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力.结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小65.8％.鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第4、5跖骨处峰值应力增大.结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第4、5跖骨处倾斜角度的设计建议.

    外侧楔形鞋垫足底压力分布关节接触压力有限元分析生物力学

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    应用随机森林与神经网络算法的足底软组织本构参数反演方法

    李烽韬孙丽芳陶雅萍杨鹏...
    476-481页
    查看更多>>摘要：目的 基于随机森林(random forest,RF)算法和反向传播(back propagation,BP)神经网络算法实现对足底软组织超弹性模型本构参数的预测,以提升本构参数获取方式的效率和准确性.方法 首先建立足底软组织球形压痕实验的有限元模型,并对球形压痕实验过程进行仿真,得到具有非线性关系的位移和压痕力的数据集.将数据集进行划分,得到训练集和测试集,分别对搭建好的RF和BP神经网络(BP neural network,BPNN)模型进行训练,通过实验数据对足底软组织本构参数进行预测.最后,引入均方误差(mean square error,MSE)和决定系数(R2)对模型的预测准确性进行评估,同时对比实验曲线验证模型的有效性.结果 利用RF和BPNN模型结合有限元仿真是确定足底软组织超弹性本构参数的有效、准确的方法.训练后的RF模型MSE达到1.370 2×10-3,R2为0.982 9;BPNN模型MSE达到4.858 1×10-5,R2为0.999 3.反求得到适用于仿真的足底软组织的超弹性本构参数,预测得到的两组本构参数的计算响应曲线与实验曲线吻合较好.结论 基于人工智能算法模型对足底软组织超弹性本构参数的预测精度很高,相关研究成果也可以应用于足底软组织其他力学特性的研究.同时,研究结果为足底软组织本构参数的获取提供新方法,有助于快速诊断足底软组织病变等临床问题.

    足底软组织参数识别BP神经网络随机森林

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    面向手过头任务的残差神经网络肌肉疲劳预测模型

    赵晓一赵川杨文鑫刘思棋...
    482-488页
    查看更多>>摘要：目的 探讨手过头任务中上肢关节角度与肌肉疲劳之间的关系,并构建了一种基于残差神经网络(residual neural networks,ResNet)的肌肉疲劳预测模型.方法 通过模拟不同作业姿势和不同操作面下的钻孔试验,测量了肌肉最大自主收缩力、最大耐受时间、最大剩余肌力和主观疲劳评分.将测量后数据进行数据处理作为ResNet预测模型的输入,构建残差神经网络模型,以预测肌肉疲劳水平.结果 ResNet模型具有出色的预测精度,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.028,相较于传统的BP神经网络(RMSE=0.053)和MLP多层感知器神经网络(RMSE=0.059),其误差更小,拟合更好.结论 提出的残差神经网络肌肉疲劳预测模型能够有效准确地预测肌肉疲劳,为提高工作效率、减少工作相关肌肉骨骼疾病风险提供了有力支持.

    手过头作业肌肉疲劳关节角度残差神经网络工作相关肌肉骨骼疾患

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    脑卒中患者运动过程中动力学特征的智能预测

    张楠孟庆华鲍春雨周鲁星...
    489-496页
    查看更多>>摘要：目的 使用主成分分析(principal component analysis,PCA)和反向传播(back propagation,BP)神经网络预测脑卒中患者行走时患侧髋、膝、踝的关节力矩.方法 30例脑卒中患者通过8镜头Qualisys红外光点高速运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集运动学和动力学数据.通过OpenSim计算脑卒中患者髋、膝、踝患侧关节力矩,采用PCA筛选累积贡献率达到99％的初始变量,采用标准均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)、均方根误差(root mean squared error,RMSE)、平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、R2作为PCA-BP模型的评价指标.使用肯德尔W系数评价计算关节力矩与预测力矩之间的一致性.结果 PCA数据显示躯干、骨盆、患侧髋、膝和踝关节在x、y、z轴(矢状、冠状、垂直轴)对患侧髋、膝、踝关节力矩具有显著影响.预测值与测量值间NRMSE为5.14％～8.86％,RMSE为0.184～0.371,MAPE 为 3.5％～4.0％,MAE 为 0.143～0.248,R2 为 0.998～0.999.结论 建立的 PCA-BP 模型可准确预测脑卒中患者行走时的髋膝踝关节力矩,显著缩短测量时间.在脑卒中患者的步态分析中,本模型可代替传统的关节力矩计算,为获得脑卒中患者生物力学数据提供新途径,以及为脑卒中患者临床治疗提供有效的方法.

    数学模型脑卒中主成分分析反向传播神经网络关节力矩

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    影响我国男子1 500 m速滑直道速度的关键技术特征

    张马森崔婧邵中平刘卉...
    497-503页
    查看更多>>摘要：目的 针对我国男子速滑运动员1 500 m直道技术进行生物力学分析,确定动作技术对运动表现的影响.方法 以参加2021年全国速度滑冰锦标赛1 500 m项目的34名男运动员为研究对象,采用三维定点录像解析的方法获取运动学数据,分析周期特征、动作阶段和关键时刻技术特征与周期速度的关系.结果 滑幅(r=0.560)、滑行距离(r=0.554)、蹬冰距离(r=0.512)与周期速度高度正相关.滑行阶段的躯干活动范围(r=0.651)、踝关节角(r=0.434)、踝关节活动范围(r=0.446)与滑行速度中度或高度正相关,躯干角(r=-0.427)与滑行速度中度负相关;蹬冰阶段的躯干角(r=0.673)、髋关节伸展角(r=0.804)、髋关节外展角(r=0.560)、髋关节外展角速度(r=0.566)与蹬冰速度高度正相关,蹬冰角(r=-0.605)与蹬冰速度高度负相关.结论 1 500 m速滑直道速度主要取决于滑幅,滑行距离、蹬冰距离越大,速度越大.躯干角和踝关节角是影响运动员滑行速度的主要技术特征,适当增加躯干活动范围能有效提高滑行速度;躯干角、髋关节角和蹬冰角是影响运动员蹬冰速度的主要技术特征,积极伸髋蹬冰能有效提高蹬冰速度.

    速度滑冰直道技术自动捕捉动作分析生物力学

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    二尖瓣运动的流固耦合仿真

    居佳怡颜文涛魏来高昊...
    504-509页
    查看更多>>摘要：目的 建立包含左心和血液的二尖瓣理想模型,用流固耦合仿真研究二尖瓣在血流中的运动特性.方法 基于解剖学参数建立二尖瓣、左心和血液模型,流固耦合仿真采用有限元结合浸没边界法,使用有限元软件LS-DYNA模拟二尖瓣运动,获取形态学、力学和血液动力学参数,并与结构仿真结果进行对比.结果 两种仿真下二尖瓣形态学结果差异较大,流固耦合结果与超声影像吻合.流固耦合仿真和结构仿真的瓣叶应力分布结果一致,最大第一主应力分别为1.48、1.53 MPa,相对误差为3.27％.左心流场有较为复杂的涡旋结构,舒张期二尖瓣最大流速为1.02 m/s,与健康人体生理数据(0.89±0.15)m/s相吻合.结论 二尖瓣流固耦合仿真可以获取更贴近于生理的形态学结果;流固耦合仿真可以提供临床诊断不可或缺的流场参数信息;单研究瓣叶应力分布问题时,结构仿真更高效.

    二尖瓣流固耦合仿真有限元结合浸没边界法结构仿真

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    考虑三维残余变形的主动脉生理稳态建模

    高鹏郭宝磊张明戴向晨...
    510-517页
    查看更多>>摘要：目的 考虑三维残余应力场,计算主动脉壁各个微观组分在生理稳态下的预拉伸.方法 将主动脉壁理想化为双层厚壁圆管.基于三维张开角实验计算血管壁的三维残余应力场,获得平均血压下在体应力的分布特征,进而拟合获得血管壁各微观组分在生理稳态下的预拉伸.根据在体测量得到的猪主动脉内压-半径关系构建反问题,以主动脉生理稳态为参考状态,在整合三维残余应力场的同时实现主动脉在体材料参数的反演识别.结果 未考虑残余应力时,中膜平均应力大于外膜;考虑残余应力时,外膜应力大于中膜,外膜对中膜起保护作用.考虑残余应力时,中膜各组分预拉伸小于未考虑残余应力时,而外膜各组分预拉伸大于未考虑残余应力时;生理稳态下,主动脉外膜内胶原纤维的预拉伸大于中膜内胶原纤维的预拉伸.以生理稳态作为参考构型在体识别主动脉材料参数,所得各组分占比与组织学实验结果一致.反之,以无加载零应力构型作为初始构型在体识别材料参数,所得外膜中弹性蛋白的占比被严重高估,与实验结果不符.结论 残余应力对主动脉壁各微观组分的预拉伸及生理稳态力学状态影响显著,故准确建立主动脉壁的生理稳态需要充分考虑残余应力的影响,材料参数的在体识别也需要充分考虑残余应力的三维特性和层特异性.

    残余应力生理稳态本构模型材料参数反演识别

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