本文關鍵詞： 肌骨系統 接觸分析 有限元分析 生物力學　出處：《太原理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著我國經濟和社會不斷發(fā)展的需要,社會勞動分工越來越細,而勞動方式單一化、不斷重復的勞動工作,導致人體肌肉骨骼不適(MSDs)、損傷(MSI)的發(fā)生率相應增加。輕度不適,可以休假調整,而重度不適,則可能需要手術干預,更甚者則可能影響運動功能,甚至致殘。大量伏案工作的辦公室人員以及辦公自動化的計算機操作人員成為了肌骨不適及肌骨系統各種損傷的高發(fā)群體。不但給患者個人造成了身心痛苦,也給家庭和社會帶來了沉重的經濟負擔。到目前為止,通過運動方式來進行診斷和治療MSDs、損傷以及進行運動康復訓練,還缺少基于生物力學原理的、科學的、準確的診斷、治療和康復評估方法。另外,隨著計算機在各行各業(yè)的快速普及和應用,鼠標作為實現人與計算機交互的重要輸入裝置,得到了日益廣泛的應用。但是,不斷、重復性的鼠標操作會導致一些上肢MSDs,常見的例子是腕管綜合癥(CTS),也稱為“鼠標手”。當前,我國MSDs的流行情況形勢非常嚴峻,但因缺乏十分有說服力的病因學證據,以及基于生物力學因素的評估方法和依據,較難采取有效的預防和控制措施,使MSDs的發(fā)病率得到有效的降低,同時也可以減少政府、企業(yè)和患者個人以及家庭的經濟負擔。考慮到腕部及上肢相關MSDs、肌骨損傷的嚴重性和生物力學研究的重要性,本文從生物力學角度出發(fā),基于生物力學的原理和方法,對上肢肌骨系統進行生物力學分析,并對鼠標操作時腕部接觸壓力進行了實驗測量和有限元模擬對比研究。具體的研究內容包括:(1)通過人體運動捕捉的實驗測量,對人體上肢的常見運動,以及鼠標操作時手指擊鍵等的運動數據進行了采集、處理和分析。通過處理和分析,得到了上肢運動時各關節(jié)的角度變化曲線,可以作為逆向動力學分析和有限元分析的基礎數據。通過采用逆向動力學的方法,對屈肘關節(jié)和前臂旋前-后等運動進行了分析和計算,得到了運動過程中的肘關節(jié)力矩、關節(jié)反力、肘關節(jié)周圍各主要肌肉力以及上肢肌肉的活性等,分析表明上肢水平比上肢豎直狀態(tài)有更高的關節(jié)力矩、關節(jié)反力、肌肉力和肌肉活性。通過獲得的數據,可以有助于更好地了解上肢運動與其受力之間的關系,同時也為后續(xù)的有限元分析提供了運動學數據。(2)使用激光掃描儀、f-scan和fsa(forcesensingarray)壓力測量系統,對不同鼠標操作時鼠標、腕部的接觸面積和接觸壓力進行了測量和數據處理。通過掃描儀掃描,得到了不同鼠標操作狀態(tài)時鼠標、腕部與掃描儀接觸區(qū)域的面積;通過f-scan和fsa壓力測量實驗,獲得了在鼠標擊鍵操作的整個過程中鼠標、腕部與桌面之間的接觸壓力,接觸面積,接觸力,以及接觸壓力峰值隨時間的變化關系,并對其進行對比分析。這些數據可以作為腕部msds、損傷的臨床診斷、康復方案的制定和評估提供生物力學依據。結果表明,腕部接觸壓力峰值出現在腕部尺側(豌豆骨附近)區(qū)域,將前臂盡可能地放在桌面上,可以有效地降低腕部的接觸壓力,或者使用合適的鼠標墊,也可以起到一定得降低腕部接觸壓力的效果,從而減少桌面對腕部的磨損以及對腕部血管、神經的擠壓,降低患腕部msds的風險。(3)基于志愿者的ct和mri掃描數據,建立了人體上肢肌骨系統的三維有限元模型,包括肱骨、尺骨、橈骨、所有手骨等骨骼,各關節(jié)的軟骨和肘關節(jié)的主要韌帶,以及上肢的軟組織(包括皮膚,肌肉,肌腱以及筋膜等)等組織。通過模擬和分析,研究了正常肘關節(jié)在屈肘和前臂旋后運動中,各關節(jié)面上的接觸壓力的分布情況,也同時研究在這些過程中的不同狀態(tài)時,各骨骼、主要韌帶、以及軟組織上的應力分布情況。通過相關的對比和分析,有限元分析結果與逆向動力學分析結果趨勢大致相同,驗證了所建立模型的有效性和可靠性。在上肢肌骨系統有限元模型的基礎上,又建立簡化的鼠標和桌面相互作用的有限元分析模型,模擬和分析在重力載荷作用下以及前臂與桌面不同的接觸區(qū)域時,手部與鼠標、鼠標與桌面、以及腕部與桌面的接觸情況,并與實驗結果進行了比較和分析。分析結果表明,只有腕部和桌面接觸時,腕部與桌面的接觸壓力,肘關節(jié)、腕關節(jié)各關節(jié)面間的接觸壓力均為最大,隨著前臂與桌面的接觸區(qū)域增大,各部分接觸壓力減小,前臂四分之三、整個前臂區(qū)域與桌面接觸時,接觸情況基本相同,因此綜合分析各因素后,在操作鼠標時,盡量采用前臂的四分之三區(qū)域與桌面有支撐的姿勢。獲得的接觸情況數據可以作為上肢關節(jié)接觸研究,上肢組織特性研究以及肌骨系統不適、損傷的診斷和治療的生物力學依據。本文建立的人體上肢肌骨系統的三維有限元分析模型,可以作為人體上肢生物力學分析的一個平臺,用于研究上肢各骨骼的運動生物力學特性,即上肢的日常運動、體育運動的模擬分析等研究工作,了解日�；顒訉ι现挠绊懢哂兄匾囊饬x;可以用于上肢各關節(jié)接觸情況的分析,以及運動對上肢肌骨系統的影響;可以從生物力學角度分析鼠標操作對腕部關節(jié)的影響;可以用于人—機工程學的研究,以及進行上肢相關的人體工效學研究,例如鼠標的個性化設計,桌面的工效學設計,運動康復機器人的設計等;可以為臨床上MSDs的診斷和治療提供一定的生物力學指導,從而有效的預防上肢MSDs和肌骨系統損傷;還可以為患者制定個性化的運動康復方案。該模型的建立,也為今后開展對于包含腕管綜合癥在內的上肢肌骨不適、損傷的相關研究具有重要的學術意義和應用價值。
[Abstract]:In this paper , it is difficult to take effective measures to prevent and treat MSDs , and it is difficult to take effective measures to prevent and treat MSDs . The contact area and the contact pressure of the mouse and wrist during the operation of the mouse were measured and the contact pressure , contact area , contact force and contact pressure were measured . The results showed that the contact pressure peak appeared on the surface of the wrist ruler side ( near the pea bone ) , and the contact pressure , contact area , contact force and contact pressure peak value were analyzed . A three - dimensional finite element model of the human upper limb muscle system is established based on the ct and mri scans of the volunteers . The contact pressure between the wrist and the desktop is similar to that of the table top , and the contact pressure between the wrist and the desktop is almost the same as the contact area between the forearm and the table top . It is important to understand the influence of daily activities on the upper limb ; it can be used for the analysis of the contact of upper limb joints and the influence of exercise on the upper limb muscle system . It can be used for the research of human - machine engineering and the design of human body ergonomics related to upper limb , such as personalized design of mouse , ergonomics design of desktop , design of sports rehabilitation robot , etc .

【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R318.01

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本文編號：1483808