图6　下肢骨肌系统运动测量与仿真
Fig. 6　Motion measurement and simulation of lower limb system

图7　下肢一个步态周期的股骨肌肉力计算结果
Fig. 7　Femoral muscular force calculation in one gait cycle

图8　股骨应力分布及其在一个步态周期中的变化
Fig. 8　Femoral stress analysis and its variation in one gait cycle

    通过与足外科医生的合作，我们建立了足部的几何模型，包括骨骼与肌肉两部分。同时建立了有限元模型，对拇外翻力学手术治疗方案进行了应力与应变分析。

    我们和脊柱外科医生合作，进行了儿童侧弯脊柱的几何和有限元建模，并通过脊柱的应力分析对外矫正支架进行优化设计。

    由于人体生物力学的作用越来越被医学界所重视，医学界不断提出新的生物力学分析课题，从而启发我们，应该建立一个通用的人体生物力学模型和研究平台，统一的处理工作中出现的科学问题和方法学问题，这一思想构成了“中国力学虚拟人”的立项依据。

    3 、“中国力学虚拟人”平台的应用

    “中国力学虚拟人”是一个通用的研发平台，通过对它直接使用和二次开发，可以用于多种领域人体生物力学研究中

    (1) 在骨与关节医疗器械设计中的应用　通过对股骨有限元模型的改造，我们建立了“人工髋关节-股骨”力学系统模型，计算出下肢一个步态周期中股骨和人工关节柄部的应力分布及其在一个步态周期中的变化，如图9 所示。传统的人工关节设计通常都是以人站立姿态作为设计的依据。在今天看来这是不够的。用一个完整的步态来分析人工关节柄部的应力，将使设计者获得更为全面的数据。随着人工关节置换术接受患者的年轻化，患者对人工关节的需求已不仅仅是恢复步行功能，患者对功能提出了越来越高的要求，例如能够跑与跳，这时就必须在虚拟人系统中对设计进行考核。

图9 　“股骨- 人工关节柄”系统应力分布及其在一个步态周期中的变化
Fig. 9　Femur-Hip prosthesis system stress analysis and its variation in one gait cycle

图10　下颌骨修复假体的应力计算
Fig. 10　Stress analysis for mandible prosthesis

    图10 是我们利用下颌骨肌系统模型进行的人工下颌骨置换案例。通过有限元计算不仅保证了假体的初始强度，而且保证了孔洞中组织工程化骨的应力生长环境。

    (2) 在临床医学中的应用　“中国力学虚拟人”的各个组成部分都可以单独用于临床中，通过对患体部位的骨组织应力分析，帮助医生确定治疗方案。我们利用力学虚拟人的头部进行了儿童唇颚裂及力学快速扩弓、牙列的力学正畸、牵张成骨、拇外翻力学矫正、儿童脊柱侧弯力学矫正等方面的研究。力学虚拟人的足部模型还可以进一步用于平足的矫正、糖尿病患者鞋垫的力学设计中。

    (3) 创伤与事故力学分析　力学虚拟人模型可以被用来模拟人体的跌、打、碰撞、高空坠落在骨骼中引起的创伤发生机理。在今天的汽车工业中，通常都需要建立人体的骨肌系统模型，模拟驾乘人员在汽车碰撞中的骨骼损伤过程；用来分析安全带、安全气囊的保护功能和负面效应；研究汽车对行人的碰撞事故及防范技术措施。

    (4) 在康复工程领域中的应用　力学虚拟人的上肢和下肢生物力学模型可直接用来指导医生和工程师进行假肢的设计，包括它的运动设计和力学设计。由于“中国力学虚拟人”提供了中国人体的标准运动姿态和各部分活动范围，因此它可以成为假肢设计的基本依据。利用力学虚拟人可以模拟下肢假肢受腔与残肢之间的压力分布，从而进行合理的受腔腔型设计。近些年来，瑞典Brinmark 设计了直接和股骨相连的下肢假肢，利用虚拟人的下肢力学模型可以对“天然股骨- 下肢假肢”力学系统进行仿真，对股骨与假肢的接合部位做出全面细致的应力分析。

    (5) 在人机工程学中的应用　“中国力学虚拟人”可以用来对人体的各种劳动行为进行仿真，用来估算在一个劳动行为过程中肌肉力的作用和骨骼上的应力，从而判断人体的承受能力和相应的保护措施，进行劳动与安全防护器械的设计。在汽车设计中可以用来分析各种坐姿下骨肌系统的状态、人体与座椅界面之间的压力分布，以及驾驶行为中相关肌肉的出力。由于“中国力学虚拟人”模型是中国的标准人体模型，因此它能够更好的研究同样的劳动行为或操作行为条件下，中国人体的承受和适应能力。

    (6) 艺术或体育动作的生物力学分析　力学虚拟人的运动学、动力学分析计算模块可以用来分析一些高难度艺术和竞技体育动作的力学机理，如芭蕾舞演员的旋转运动；溜冰运动员与跳水运动员的各种空中滚翻运动；举重运动员的抓、推、挺举运动；跳高与跳远的运动姿态；跑步与跨栏运动中下肢肌肉的出力分配。同时还可以对各种运动损伤进行人体生物力学分析。

    4 、从“中国力学虚拟人”到“国际力学虚拟人”

    “中国力学虚拟人”是一个以中国标准人体为仿真对象的力学虚拟人，在课题负责人王成焘教授发起和组织下，一个以欧洲人体数据为依据的欧洲力学虚拟人，以及韩国科学家提出的力学虚拟人都将先后立项，并和中国力学虚拟人合作，共同组建成一个国际力学虚拟人平台。它不仅是不同人种力学虚拟