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

【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)不斷發(fā)展的需要,社會(huì)勞動(dòng)分工越來越細(xì),而勞動(dòng)方式單一化、不斷重復(fù)的勞動(dòng)工作,導(dǎo)致人體肌肉骨骼不適(MSDs)、損傷(MSI)的發(fā)生率相應(yīng)增加。輕度不適,可以休假調(diào)整,而重度不適,則可能需要手術(shù)干預(yù),更甚者則可能影響運(yùn)動(dòng)功能,甚至致殘。大量伏案工作的辦公室人員以及辦公自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)操作人員成為了肌骨不適及肌骨系統(tǒng)各種損傷的高發(fā)群體。不但給患者個(gè)人造成了身心痛苦,也給家庭和社會(huì)帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。到目前為止,通過運(yùn)動(dòng)方式來進(jìn)行診斷和治療MSDs、損傷以及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練,還缺少基于生物力學(xué)原理的、科學(xué)的、準(zhǔn)確的診斷、治療和康復(fù)評(píng)估方法。另外,隨著計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)的快速普及和應(yīng)用,鼠標(biāo)作為實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)交互的重要輸入裝置,得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是,不斷、重復(fù)性的鼠標(biāo)操作會(huì)導(dǎo)致一些上肢MSDs,常見的例子是腕管綜合癥(CTS),也稱為“鼠標(biāo)手”。當(dāng)前,我國(guó)MSDs的流行情況形勢(shì)非常嚴(yán)峻,但因缺乏十分有說服力的病因?qū)W證據(jù),以及基于生物力學(xué)因素的評(píng)估方法和依據(jù),較難采取有效的預(yù)防和控制措施,使MSDs的發(fā)病率得到有效的降低,同時(shí)也可以減少政府、企業(yè)和患者個(gè)人以及家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)�？紤]到腕部及上肢相關(guān)MSDs、肌骨損傷的嚴(yán)重性和生物力學(xué)研究的重要性,本文從生物力學(xué)角度出發(fā),基于生物力學(xué)的原理和方法,對(duì)上肢肌骨系統(tǒng)進(jìn)行生物力學(xué)分析,并對(duì)鼠標(biāo)操作時(shí)腕部接觸壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元模擬對(duì)比研究。具體的研究?jī)?nèi)容包括:(1)通過人體運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)人體上肢的常見運(yùn)動(dòng),以及鼠標(biāo)操作時(shí)手指擊鍵等的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、處理和分析。通過處理和分析,得到了上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)的角度變化曲線,可以作為逆向動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過采用逆向動(dòng)力學(xué)的方法,對(duì)屈肘關(guān)節(jié)和前臂旋前-后等運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析和計(jì)算,得到了運(yùn)動(dòng)過程中的肘關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)反力、肘關(guān)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(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)反力、肌肉力和肌肉活性。通過獲得的數(shù)據(jù),可以有助于更好地了解上肢運(yùn)動(dòng)與其受力之間的關(guān)系,同時(shí)也為后續(xù)的有限元分析提供了運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。(2)使用激光掃描儀、f-scan和fsa(forcesensingarray)壓力測(cè)量系統(tǒng),對(duì)不同鼠標(biāo)操作時(shí)鼠標(biāo)、腕部的接觸面積和接觸壓力進(jìn)行了測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。通過掃描儀掃描,得到了不同鼠標(biāo)操作狀態(tài)時(shí)鼠標(biāo)、腕部與掃描儀接觸區(qū)域的面積;通過f-scan和fsa壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn),獲得了在鼠標(biāo)擊鍵操作的整個(gè)過程中鼠標(biāo)、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(shí)間的變化關(guān)系,并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。這些數(shù)據(jù)可以作為腕部msds、損傷的臨床診斷、康復(fù)方案的制定和評(píng)估提供生物力學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明,腕部接觸壓力峰值出現(xiàn)在腕部尺側(cè)(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(biāo)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(duì)腕部的磨損以及對(duì)腕部血管、神經(jīng)的擠壓,降低患腕部msds的風(fēng)險(xiǎn)。(3)基于志愿者的ct和mri掃描數(shù)據(jù),建立了人體上肢肌骨系統(tǒng)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(guān)節(jié)的軟骨和肘關(guān)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(guān)節(jié)在屈肘和前臂旋后運(yùn)動(dòng)中,各關(guān)節(jié)面上的接觸壓力的分布情況,也同時(shí)研究在這些過程中的不同狀態(tài)時(shí),各骨骼、主要韌帶、以及軟組織上的應(yīng)力分布情況。通過相關(guān)的對(duì)比和分析,有限元分析結(jié)果與逆向動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果趨勢(shì)大致相同,驗(yàn)證了所建立模型的有效性和可靠性。在上肢肌骨系統(tǒng)有限元模型的基礎(chǔ)上,又建立簡(jiǎn)化的鼠標(biāo)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(shí),手部與鼠標(biāo)、鼠標(biāo)與桌面、以及腕部與桌面的接觸情況,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。分析結(jié)果表明,只有腕部和桌面接觸時(shí),腕部與桌面的接觸壓力,肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)各關(guān)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(gè)前臂區(qū)域與桌面接觸時(shí),接觸情況基本相同,因此綜合分析各因素后,在操作鼠標(biāo)時(shí),盡量采用前臂的四分之三區(qū)域與桌面有支撐的姿勢(shì)。獲得的接觸情況數(shù)據(jù)可以作為上肢關(guān)節(jié)接觸研究,上肢組織特性研究以及肌骨系統(tǒng)不適、損傷的診斷和治療的生物力學(xué)依據(jù)。本文建立的人體上肢肌骨系統(tǒng)的三維有限元分析模型,可以作為人體上肢生物力學(xué)分析的一個(gè)平臺(tái),用于研究上肢各骨骼的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性,即上肢的日常運(yùn)動(dòng)、體育運(yùn)動(dòng)的模擬分析等研究工作,了解日�；顒�(dòng)對(duì)上肢的影響具有重要的意義;可以用于上肢各關(guān)節(jié)接觸情況的分析,以及運(yùn)動(dòng)對(duì)上肢肌骨系統(tǒng)的影響;可以從生物力學(xué)角度分析鼠標(biāo)操作對(duì)腕部關(guān)節(jié)的影響;可以用于人—機(jī)工程學(xué)的研究,以及進(jìn)行上肢相關(guān)的人體工效學(xué)研究,例如鼠標(biāo)的個(gè)性化設(shè)計(jì),桌面的工效學(xué)設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)等;可以為臨床上MSDs的診斷和治療提供一定的生物力學(xué)指導(dǎo),從而有效的預(yù)防上肢MSDs和肌骨系統(tǒng)損傷;還可以為患者制定個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案。該模型的建立,也為今后開展對(duì)于包含腕管綜合癥在內(nèi)的上肢肌骨不適、損傷的相關(guān)研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)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(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R318.01

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 河北 賈亞丁;PPT放映過程中的快捷鍵[N];中國(guó)電腦教育報(bào);2005年

2 沉睡者;鼠標(biāo)點(diǎn)擊不用手[N];中國(guó)電腦教育報(bào);2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張緒樹;人體上肢肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)分析及鼠標(biāo)操作時(shí)腕部接觸壓力研究[D];太原理工大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 夏方昱;指點(diǎn)裝置操作的肌肉負(fù)荷比較研究[D];浙江大學(xué);2006年

，

本文編號(hào)：1483808