生物力学与仿真技术精选(九篇)

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第1篇：生物力学与仿真技术范文

关键词：个性化；股骨；假体；仿真

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0244-02

1 引言

随着计算机图形处理技术、仿真技术的不断发展，计算机辅助临床诊断、手术等应用越来越广泛，特别是在骨科临床领域的应用，计算机辅助骨科智能导航术成为骨科手术的首选方案。此应用在处理人工关节置换方面的意义也尤为重大，它不仅可以改变传统手术医生只能依靠平时经验在大脑里进行术前模拟的状况，而且实现了手术设计方案的资源共享，更重要的是可以有效地解决移植人工假体后引起的并发症等问题。针对上述问题，提出了相应的解决方案，一是依据个性化数据，量体裁衣，设计、制造在形态学、生物力学、材料力学等方面能最佳适应个体股骨假体解剖特点的个性化、定制式的人工股骨假w；二是手术前仿真模拟、演练移植假体过程、精确预知移植后的效果。运用逆向工程技术原理及计算机仿真技术应用于术前手术仿真、移植假体设计制造等提供了现实途径， 为临床制定个性化股骨假体置换术前手术设计方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据[1]。

2个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的具体实施方案

首先选取适合的成人股骨标本，运用逆向工程技术原理，采用医用CT技术结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件重建活体股骨三维模型，然后根据Billing等定义及立体解析几何的原理，使用计算机辅助精准、半自动化地测量股骨头直径、容积及中心位置、股骨颈直径、颈干角、髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖参数，再应用计算机仿真技术、计算机逼近曲面拟合算法及有限元力学分析ANSYS等工具软件，虚拟理想化人工股骨假体模型，研究其形态；虚拟其移植过程，比较活体股骨关节重建模型及假体移植后的力学分布曲线，为人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合各人不同体质、高匹配度及最佳力学曲线分布的定制股骨假体移植等提供技术支持、实体模型和设计依据，在条件成熟时，将此技术应用于临床实验，具体在以下六个方面进行实施。

（1）选取适合的成人股骨标本，利用逆向工程技术原理，根据Billing等定义及立体解析几何的原理，探讨出一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，推导出股骨颈前倾角公式，采用公式法计算右侧前倾角结果，对比传统测量结果；

（2）基于上述方法和测量过程，系统测量左右侧髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖学参数，为人工股骨假体置换手术及个性化定制假体设计提供解剖学基础并初步探讨临床应用软件设计与开发[2]；

（3）股骨三维可视化和形态学研究。采用股骨螺旋CT数据，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，半自动分割髋臼窝、股骨头、股骨颈及股骨干，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，从不同的角度观察股骨三维立体及其周围重要组织的毗邻关系，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为股骨假体移植、微创手术、立体定位、导航系统及仿真人工假体设计提供三维可视化模型[3]；

（4）利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟直接暴力作用股骨干横界面生物力学研究，计算骨与假体接触后的载荷情况，垂直水平面分别加载300-500N载荷，观察载荷不断增加后关节及股骨的应力曲线分布，提示股骨干以其内侧中下1/3交界处的应力最大，从而为假体材料和植入后的研究提供有限元力学分析基础。

（5）根据所测得的相关解剖学参数，设计个性化形态学的假体模型，同时模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。导入3D功能模块，虚拟三维空间精确调整假体移植进人体中的位置。在计算机中成功仿真实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案。患者所需的个性化股骨假体和髋臼杯的型号将以报告的形式输出，为提高手术成功率及延长假体植入的寿命提供了一条新的、精确合理的途径。

（6）经过所有样本的虚拟仿真测试，得到一套有效的治疗步骤，将其应用到具体临床实验，进一步总结其存在的问题，验证利用计算机辅助治疗股骨假体移植的方法优于传统治疗手术方案，其临床应用价值更高。

3 个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的技术路线

在实施过程中，特别要注重标本数据的准确采集，同时在定制个性化假体过程中，重建假体三维模型、选取适合材料进行假体定制、利用仿真系统进行假体移植，都是手术方案设计的重要组成部分。个性化股骨假体移植的计算机仿真研究具体实施的技术路线：

4 讨论

个性化股骨假体移植的计算机仿真研究首先探讨一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，对股骨三维可视化和形态学进行研究，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为人工假体设计提供三维可视化模型，再利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。根据所测得的相关参数，设计理想形态学的假体模型，导入3D功能模块，虚拟三度空间精确调整假体植入体中的位置并在计算机中成功的实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案，进行具体临床实验。

该研究根据人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合个体差异的个性股骨假体产品，来解决股骨假体移植手术由于术后经常出现假体松动、术后多种并发症，从而造成假体关节脱位、返修等诸多问题。为临床制定股骨假体置换术前方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据，研究成果可以显著降低手术风险、提高手术成功率，减少术后并发症，延长假体的寿命，提高假体匹配率[4]。

参考文献：

[1] 刘斌.股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[2] 吴淑琴.股骨皮质骨生物力学特性研究[J].中北大学学报，2012，33（2）：216-220.

第2篇：生物力学与仿真技术范文

关键词 虚拟原型 机电一体化 技术

中图分类号：TH-39 文献标识码：A

随着全球经济的增速发展，制造行业之间的竞争日趋激烈，竞争的核心已经转移到以创新技术和高附加值为基础的新产品的竞争。作为制造行业的企业，一方面为了企业的可持续性发展，提高产品在制造行业的竞争力，就必须解决其产品的“T（时间）”、“Q（产品质量）”、“C（成本）”、“S（售后服务）”、“E（环境）” 等难题。另一方面，随着计算机技术以及相关高新技术的快速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化方向发展，面对无法预测的市场需求以及用户对产品的个性化需求，企业就必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发的周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够应对快速多变的市场需求以及用户的需求，进而使企业在激烈的竞争中立于不败之地。

1虚拟原型技术的基本原理

虚拟原型技术是一种以CAX/DFX技术为基础的并行设计思想，与传统的串行设计思想相比，最大的优点在于它将多领域技术设计的不同功能的子系统有机的结合起来，通过一定的关系形成一个动态系统。从构成上看，虚拟原型是由不同工具开发的子模型组成的模型联合体，主要包括：产品的CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型以及电气和控制模型等。借助于这种技术，工程师们可以通过计算机软件建立机械模型，利用各学科等领域的理论在虚拟工况环境下分析产品关键性能指标，进一步进行可视化处理，并根据仿真的数据结果对系统进行完善和优化。通过虚拟原型技术，设计人员可以在实物样机制造出来之前，通过计算机软件在很大程度对产品的总体性能进行了解，从而缩短研制时间，降低系统研制成本，提高了产品的竞争力。

2虚拟原型的关键技术及发展应用

2.1虚拟原型的关键技术

虽然虚拟原型技术还处于发展的初期阶段，还没有形成一个完整的技术体系，但是一些关键技术已经得到广泛认可。主要包括系统总体技术、支撑环境技术、虚拟现实技术、多领域协同仿真技术、一体化建模和信息/过程管理技术等。

2.1.1系统总体技术

系统总体技术从产品设计的全局出发，规定和协调子系统的运行和支持虚拟原型开发的各部分之间的关系，使各个部分组成一个有机的整体，实现信息、资源的共享，最终完成总体的设计。总体技术主要涉及规范化的标准、协议、集成技术和方法以及系统的运行模式等。

2.1.2支撑环境技术

虚拟原型支撑环境技术是一个支持并管理产品全生命周期虚拟化设计过程与性能评估的活动，支持分布异地的团队采用协同 CAX/DFX 技术来开发和实施虚拟样机工程的集成应用系统平台。这种技术能提供相应数据、模型、CAX/DFX 设计工具等，而且还能支持复杂产品的设计活动。更重要的是这种技术还能支持虚拟原型开发设计过程中组织、过程和技术三个重要组成部分的有机结合，并对虚拟产品数据/模型以及项目进行管理和优化，支持不同工具，能够将不同的应用系统集成。

2.1.3虚拟原型技术的发展应用

虚拟原型技术是有多学科技术支撑的一门新兴综合性技术，发展前景广阔，市场巨大。虚拟原型技术面对产品设计的整个过程，使产品设计人员与用户之间的相互联系更加紧密，缩短研制的周期，降低技术的风险，提高产品的质量，降低了产品的成本，增强了企业的竞争力。在国内，由于虚拟原型技术在产品设计方面的绝对优势，使设计人员对其越来越亲睐，从各个关键技术的研究到开发模式研究亦逐渐形成一定的规模。这样必将促进这一先进制造技术的推广和应用，增强我国企业新产品的研发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位。虚拟原型技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用涉及到汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等众多领域。

3虚拟原型技术与机电一体化产品设计

虚拟原型技术是一种以先进建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术等为基础的崭新的产品开发的方法，与传统的机电产品设计思想和方法比较具有很多的优点。可以推想，将虚拟原型技术融入到机电一体化产品的设计中将会使机电一体化技术得到进一步的发展，也将会产生一种先进的机电一体化设计技术。所以，对于两者之间的关系我们可以从以下几个方面进行分析和认识：

（1）从产品的开发设计的思想来看，传统的机电一体化产品的设计通常是相对简单规范化的串行开发过程，这种设计思想虽然是复杂的开发活动变得可理解、可管理，但是它没有考虑到产品开发过程中各个环节之间的并行关系，导致产品开发周期长，开发成本高。前期的环节对后期的环节考虑少，导致设计返工次数很高，更重要的是没有充分估计产品的可制造性，很难在早期发现并解决问题，尤其是对于复杂的产品设计。

（2）从今后产品设计发展趋势来看，机电一体化产品设计属于产品设计的范畴，虚拟原型技术必然可以应用到机电一体化产品的设计之中。机电一体化产品的设计基于多领域技术（计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等）融合、交互，数字化、虚拟化也是今后发展的趋势。

第3篇：生物力学与仿真技术范文

【关键词】交通事故；再现；关键技术

一、我国道路交通事故的现状分析

我国机动车保有量和驾驶人数量迅猛增长，截止2014年1月，我国机动车保有量已达2.5亿辆，驾驶人已达2.75亿人，每百户家庭拥有汽车21.5辆，按照国际通行的每百户家庭20辆车的”汽车社会”标准，我国已经快步进入“汽车社会”。到去年底，我国公路总里程已达424万公里，居世界第一。但是，交通参与人的文明素质、守法意识与飞速发展的车辆和道路没有同步前进。大量的交通违法行为引发多起交通事故，造成了相当数量的人员伤亡和财产损失，道路交通安全形势非常严峻。据统计，我国每年发生的交通事故达数十万起，每年因交通事故死亡人数近达数万人，已经连续十余年居世界第一。以2013年为例，全国共涉及人员伤亡的道路交通事故20多万起，造成近10万人死亡。其中，发生一次死亡3人以上道路交通事故834起，发生一次死亡5人以上的道路交通事故209起，发生一次死亡10人以上道路交通事故16起。可以说，目前我国的道路交通安全形势异常严峻！

二、道路交通事故再现

道路交通事故再现的两大核心任务是确定事故车辆车速及碰撞发生位置，碰撞发生位置一般是根据事故现场痕迹的突变等证据而直接进行判断，而事故车辆车速则必须根据事故现场痕迹再依据相关理论进行计算才能获得。由此可知，事故现场痕迹是事故再现的基础，其包括人体痕迹、车体痕迹、路面痕迹、其他痕迹。其中人体痕迹主要指人体损伤等；车体痕迹主要指车辆变形；路面痕迹指事故中遗留在事故现场的痕迹，包括车辆制动距离，行人抛距等；其他痕迹则包括监控视频、鞋、帽、玻璃碎片等。

根据能量守恒的原则，可以视为碰撞后车辆的动能完全转换为热能而通过车辆与路面的摩擦而被相关参与方吸收，由此计算出事故车辆车速，这一方面相对而言较为古老，新意看起来亦不足，但不可否认的是，如果车辆在事故中完全制动，则用这一方法所获得的事故车辆车速的可靠性是很高的；其缺陷是，如果事故车辆未完全制动，使得车路之间的摩擦系数不能正确给出，则无法使用此类方法获得可靠的结果。基于行人抛距的事故车速计算方法的研究很多，在早期人们通过物理试验并借助回归分析方法获得若干行人抛距与事故车辆车速之间的关系模型；而随着仿真技术的发展，亦有相关研究者借助仿真试验，对已有的模型进行了进一步的补充，事实证明，这些方法对于计算事故车速特别是车人碰撞事故中事故车辆的车速，具有极高的应用价值。但一如果碰撞未知的情况下，如何对事故车辆车速进行预判呢？文献中作者就此做了相关的研究工作，指出可以通过研究行人抛距与车辆制动距离间的关系，进而对事故车速、碰撞发生位置、车辆制动情况等进行预判，试验及案例证明，这些方法是有效的。这些方法的获得，为更好地利用行人抛距、车辆制动距离再现交通事故车速提供了支持，但需要注意到的是，有些方法特别是基于行人抛距的事故车速预估方法方面，尚缺乏理论验证，如能在理论上做出证明，则应能使得这些方法的说服力更强。在人体痕迹方面，此处主要指的是依据人体损伤对交通事故进行再现分析，通过长期的研究，学者们对人体不同部位的损伤与车速的对应关系进行了研究，并得到了若干有价值的结论，这些工作为更好地利用人体损伤再现事故提供了方法支持。同时，因人体损伤涉及到损伤生物力学领域，故人们更多地是从行人保护、人体不同部位耐受极限以及碰撞后人体动力学响应等角度出发，对交通事故进行再现研究分析，以获得降低事故中行人伤害的相关措施，进而提出改善道路交通安全、特别是汽车安全的具体对策。这些研究工作的开展，一般很难通过纯理论的手段解决问题，常需借助相关仿真软件才能实现。

在车体痕迹这一块，相关研究工作开展的较早，人们建立起车体变形与车速的若干对应关系。通过将车体视为弹性体，进而在大量实验与理论研究基础上，建立起了车辆变量与事故车速的对应关系，或者通过研究摩托车轴距的缩短而预估其碰撞的车速，随着科技及技术手段的进步，人们现在已经开始尝试着依据车辆挡风玻璃的变形量预估车人碰撞事故中事故车辆的车速，并已经取得了若干有建设性的成果。同人体损伤痕迹的研究方法一样，车体损伤痕迹在事故再现中的应用常需要借助仿真软件才能实现。在其他痕迹方面，主要包括玻璃碎片、视频监控等痕迹信息在事故再现中的应用研究。吉林大学许洪国教授团队根据其早期在事故再现实践工作中的工作需要，提出了利用玻璃碎片抛距计算事故车速的思路，并提出了玻璃碎片广义抛距、硬路面玻璃碎片抛物运动等模型，且将这些方面应用到实际的事故再现分析中，结果显示，效果较好。随着我国道路视频监控的大力推广普及，拥有视频录像的交通事故越来越多，对于此类事故，人们更愿意去调用视频监控录像，再进行合理的处理后，以获得可靠的事故发生全过程。但比较特别的是，人们将视频图像技术用于事故再现领域，并非仅仅获取事故车辆车速，更多的是用于再现事故现场，近年来无论是从技术层面还是从产品角度，都取得了若干丰富的成果。但因为这种痕迹信息并非每一例事故都拥有，因而由此而产生的相关技术、方法不可能作为事故再现领域的普及方法而大力推广。

从理论上而言，借助仿真软件是能够非常完美地再现任何一例交通事故的，且其所得的结亦是具有极高的说服力，至少比任何仅依靠单一痕迹的事故再现结果的可靠性要高的多。但事实上，另外一个问题却凸显出来了，那就是事故现场的痕迹问题。事故再现的基础是事故现场的痕迹，痕迹的好坏直接决定了事故再现结果的可靠性与精度，为了进一步提高事故再现结果的精度与可靠性，人们开始尝试加强对于事故现场痕迹的提取方法进行研究；另外一些学者开始探索接受这些不可靠痕迹给计算结果所带来的不确定性问题，即事故再现结果的不确定性分析问题。对于前者，人们研究了事故现场痕迹提取新方法、新设备以及事故现场所提取痕迹的不确定性问题，文献中作者较为全面地解决了基于摄影测量的事故现场痕迹提取及标定等技术，并开发了相应的便携式摄影测量设备，其产品在一些基层公安组织中得到应用与推广，而其他的相关研究工作亦非常之多，这些研究工作保证了新技术在事故再现领域的良好口碑。亦有学者对于事故现场所测量痕迹的不确定性问题做了相关研究，指出大多数测量所得参数服从正态分布，但注意到这些参数的真值其实是不知道的。故又有很多学者对事故再现结果的不确定性问题开展了相关的研究，提出了若干解决事故再现结果不确定性问题的方法。这些工作为提升事故再现结果的可靠性做出了卓越的贡献，但在当前的客观环境下，大规模地推广摄影测量技术，还有难度，对于一线交警而言，其更需要实用的事故现场痕迹信息采集技术，以保证其能够轻松而又准确地完成对事故现场的勘查工作。

结束语

本文以提升道路交通安全为研究目的，从交通事故再现及道路交通主动安全两个方面开展研究，以获得用于分析研究道路交通安全的基本方法。

参考文献

[1] 孙轶轩.基于数据挖掘的道路交通事故分析研究[D].北京交通大学，2014.