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    作者：王成焘（上海交通大学生命质量与机械工程研究所）

    摘要: “中国力学虚拟人”是国家自然科学基金重点项目。它是一个人体骨肌系统参数化几何模型，通过输入人体参数，可以转换为具体研究对象的骨肌系统模型；通过运动捕捉系统，可以将测量得到的人体运动转换为骨肌系统模型的运动；通过运动、动力学分析和肌肉力计算，可以得到一个行为过程中的关节力和肌肉力；它同时是人体全身骨肌系统的有限元模型，可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析。该项目将开发一个大型软件，支撑上述计算工作。它将在医学、医疗器械设计、人机工程学、体育与艺术科学、人身事故分析等广泛领域获得应用。骨肌系统建模的基本参数取自中国可视化人的研究成果。

    “中国力学虚拟人”是国家自然科学基金2006 年批准立项的重点项目(30530230)，申报单位为上海交通大学生命质量与机械工程研究所，课题研究时间四年。在这以前我们已经历了近10 年的人体生物力学研究工作，为此项研究打下了基础，近期又由14 位中外生物力学专家成立了中国力学虚拟人国际专家委员会来指导并直接参与该项研究。本文就该项研究的意义、目标、研究进展的现状进行介绍和评述。

    1、研究目标

    “中国力学虚拟人”的研究目标是建立一个中国标准人体的“骨骼- 肌肉- 韧带”生物力学系统，如图1 所示。该骨肌系统的人体数据来自于重庆第三军医大学提供的中国可视化人研究项目。遗体捐献者为一男性，年龄35 岁，身高170 cm，体重65 kg。遗体被冷冻入50 cm 宽、45 cm 厚、20 cm 高的冰块中，用专用铣床层层铣削，每层厚度为0.1 mm至1 mm不等。铣削后暴露的每层断面用数码相机摄像，像素为3 702×2 048。图2 为其中一张断面的图像。

图1 　人体“骨骼- 肌肉- 韧带”生物力学模型
Fig. 1　Human bone-ligament-muscle biomechanics model

图2 　第三军医大学“可视化人”切片之一
Fig. 2　Cryosectional image from CVH project

    “中国力学虚拟人”标准骨肌系统模型是一个参数化模型，可以通过输入人体的指定参数，通过所开发的专用几何转换模块，将其转化为具体研究对象的骨肌系统模型。这种转换不仅是人体骨架宏观尺寸的转换，而且在一定精度范围内逼近对象的具体骨骼形状与尺寸，以便于进行进一步的骨骼应力分析计算。这项几何转换方法是本项目研究的科学问题之一。

    具体研究对象可通过在身上粘贴标记点，通过运动捕捉系统测出人体各部位的运动，并转换为骨肌系统模型的运动。通过对运动参数的分析，可以得出各段骨骼质心速度、加速度、角速度、角加速度等参数。通过测量所得脚底力、人体各部位的质量和转动惯量等数据的代入，可以进行人体动力学计算。在这项计算中将考虑肌肉力的作用。关节部位主要的韧带将以绳单元的约束形式出现。肌肉力将以直线模型的形式，用最优组合作用原理求取。一种考虑肌肉空间几何叠绕形态的肌肉力计算数学模型将是本项目加以研究的又一科学问题。

    “中国力学虚拟人”同时是一具人体全身骨骼系统的有限元模型。研究者可以对所感兴趣的部位，根据动力分析得出的关节力和肌肉力，进行应力与应变分析计算。也可通过并行计算，对人体整体骨架系统进行某一行为运动的应力应变分析。这里，关节之间的接触状态和软骨层的影响，将作为专门的科学问题加以研究。

    “中国力学虚拟人”同时还是一个大型的人体生物力学分析软件。它包含人体几何建模、运动分析、动力分析、有限元分析等功能模块，拥有自己的数据库。并具有和一些著名的分析软件，包括Adams、 Abaqus、Ansys 的接口。它同时还是一个支持二次开发的软件平台，可以用于各个专业领域。

    图3 为我们用第三军医大学所提供的可视化人数据完成的人体全身线框模型。图4为脊柱和肋骨部分的面模型和有限元模型。

图3 　项目组根据“可视化人”数据建立的人体全身(缺手)线框模型
Fig. 3　Whole body geometric model(except hands) built on CVH dataset

图4 　按照“可视化人”数据建立的骨骼表面模型和有限元模型
Fig. 4　Skeleton Surface model and FEM model built on CVH dataset

    2、前期研究与工作基础

    在“中国力学虚拟人”正式立项以前，我们已经开展了历时近十年的人体生物力学研究工作，为开展“中国力学虚拟人”的研究打下了基础。

    通过与颅颌外科医生的合作，我们建立了人体头部的几何模型与有限元模型，包括与下颌动力学相关的肌肉模型。运用该模型，我们进行了儿童唇颚裂整形手术的力学分析；上颚修复力学分析；下颌骨咀嚼行为力学分析。同时还在该模型上建有完整的上下全牙列模型，并利用该牙列模型进行了正常和缺损牙列应力分析，钢丝正畸过程的应力分析通过与骨科医生的合作，我们建立了人体下肢和骨盆系统的几何模型，并根据课题的需要，同时对股骨动力学相关的19 块肌肉进行了几何建模，并将肌肉转换成直线力学模型，见图5。通过用运动捕捉系统对志愿者下肢运动进行测量，得到下肢关节的运动参数,如图6 所示。通过运用最优组合作用原理和动力学分析计算，可得到上述19 块肌肉的肌肉力,见图7。利用所求得的关节力和肌肉力，我们通过有限元分析得到在一个步态周期中股骨上的应力分布及其变化，见图8。