1、利用Anybody分析平地行走時(shí)踝關(guān)節(jié)的受力情況Anybody是一個(gè)用于人體仿真研究的實(shí)驗(yàn)軟件，結(jié)合動(dòng)作捕捉儀、壓力傳感器等配套儀器，可 以對(duì)人體的肌肉、關(guān)節(jié)受力情況進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，從而為人機(jī)工程學(xué)或生物力學(xué)研究提供可靠的 數(shù)據(jù)支持。圖1是Anybody t的人體模型。本實(shí)例是為了研究全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TAR）而進(jìn)行的踝 關(guān)節(jié)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的人體仿真受力分析。圖1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛻?yīng)用領(lǐng)域該實(shí)驗(yàn)的目的是采用移動(dòng)分析功能作最新的全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)虛擬評(píng)估，研究踝關(guān)節(jié)替換失敗的 原因以及人工踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)的相關(guān)的科研領(lǐng)域有汽車(chē)室內(nèi)設(shè)計(jì)、人造關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、人造假肢等，同時(shí)，在體育運(yùn)動(dòng)、宇航員動(dòng)作研究領(lǐng)域

2、也很有參考和應(yīng)用價(jià)值。圖2二、研究背景和意義全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)由于缺乏可棠性，長(zhǎng)期以來(lái)，其研究一直不及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)和全骸關(guān)節(jié)置換 術(shù)。從70年代到現(xiàn)在，踝關(guān)節(jié)的受力情況一直沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)的的數(shù)據(jù)支持。如今，結(jié)合人體模型和 動(dòng)作捕捉儀，利用Anybody模型分析系統(tǒng)可以對(duì)踝關(guān)節(jié)的受力情況作研究。對(duì)全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)的研究意義重大。它對(duì)于治療踝骨關(guān)節(jié)疾病，如關(guān)節(jié)炎等具有重大的理論指 導(dǎo)作用。人造踝關(guān)節(jié)能夠維持該關(guān)節(jié)的正?；顒?dòng)，支撐附近相關(guān)結(jié)構(gòu)的負(fù)載。因此，可靠的數(shù)據(jù)對(duì) 于此類(lèi)人造器官的設(shè)計(jì)具有不可或缺的參考價(jià)值。圖3三、TAR的缺陷踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)尺寸比較小，承受的瞬時(shí)沖擊力大，由于站立，踝關(guān)節(jié)承受的壓力也很

3、大。一般 的人造關(guān)節(jié)，忽視了生物解剖學(xué)的組織形狀，而利用生物學(xué)中的踝關(guān)節(jié)生物機(jī)械學(xué)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因 此對(duì)正常關(guān)節(jié)的復(fù)制性就比較低了 O四、已有的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)圖4到圖6是己有的關(guān)于踝關(guān)節(jié)受力情況的分析。這些分析圖來(lái)自70年代的文獻(xiàn)，因此并不是 特別準(zhǔn)確可靠。圖4圖5FA.前脛骨腱張力FK-跟腱張力FN-踝關(guān)節(jié)壓力FT.踝關(guān)節(jié)切向力五、Anybody模型仿真應(yīng)用Anybody進(jìn)行踝關(guān)節(jié)的受力分析，大致分為四個(gè)步驟，一是步法信息采集，二是人體模型 的構(gòu)建，三是求解程序的選定，四是數(shù)據(jù)分析。首先，利用Vicon系統(tǒng)來(lái)收集步法信息。在人體的下肢布置22個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（如圖7）,通過(guò)動(dòng)作捕 捉儀捕捉被試者的行走動(dòng)作，

4、并把各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳入到計(jì)算機(jī)中，生成步法模型，如圖7圖7圖8Vicon系統(tǒng)信息ViconCameras MxF408 Cameras used4 MegapixelData taken at 50 HzProspective Data to be taken on 120 HzVicon動(dòng)作捕捉儀如圖9所示，共有8個(gè)攝像機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)4M像素收集，數(shù)據(jù)采集頻率是50Hz.理想的數(shù)據(jù)采集頻率是120Hzo受力采集是利用KISTLER力盤(pán)。力盤(pán)有8個(gè)采集點(diǎn)，Z軸4個(gè)，X和Y軸各兩個(gè)。采集頻率在1000Hz左右。如圖10所示。圖108 Channels: 4 on Z-D. 2 on X-D an

5、d 2 on YDAnalogue Data at 1000 Hz圖11步法信息采集完成之后，開(kāi)始構(gòu)建Anybody的人體模型。用電腦構(gòu)建一個(gè)踝關(guān)節(jié)的人體肌肉. 骨組織模型，利用這個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)踝關(guān)節(jié)以及周邊薄膜組織的受力情況。此實(shí)驗(yàn)中的Anybody人體 模型的軀干部分不需要肌肉，下肢要比較精細(xì)的肌肉組織，踝關(guān)節(jié)周邊的肌肉組織要尤其精致。構(gòu) 建完成的人體模型如圖11所示。模型構(gòu)建完成后，選定所需要的求解程序。本實(shí)驗(yàn)中選用的肌肉補(bǔ)充求解程序是極值求解程序 和二次方程求解程序。受力收集的部位為踝關(guān)節(jié)、跟腱、脛骨前肌等。進(jìn)行步法仿真，如圖12所示。其中t是行走時(shí)的真實(shí)時(shí)間。圖12經(jīng)過(guò)Anybody的

6、仿真計(jì)算后，可以得到左右踝關(guān)節(jié)、左右跟腱、左右脛骨前肌的極值分布圖， 二次方程圖線。對(duì)圖線進(jìn)行擬合、分析、比較，從而得到關(guān)于踝關(guān)節(jié)受力情況的可棠實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這 些數(shù)據(jù)將為相關(guān)研究提供支持。有關(guān)的解決方案圖線如圖13到圖17所示。圖13右、左踝骨極值曲線圖14右、左踝骨二次方程曲線MinMax Solution RightGFR Ankle Joint Vector, Right Leg, MinMaxGFRVetr源如3如源囂。5 4 4 3 0 2 2 11QP Solution RightGFR Ankle Joint Vector. RightMinMax Solution LeftQP

7、Solution LeftGFR Ankle Joint Vector, Left Leg, MinMaxGTR AntJe start 7ctcc L* MrMaxGFR Ankle Joint Vector, Left Leg.QP圖16圖17踝關(guān)節(jié)矢量比較經(jīng)過(guò)如上分析和比較，最終確定了踝關(guān)節(jié)的總體受力情況圖線。如圖18所示。由圖可見(jiàn)，在平 地行走時(shí)，4秒左右的時(shí)候踝關(guān)節(jié)收到的合力是最大的。Fore*VectorFaceVcdor Ou.idrit tc4洶4OJ03.353.553J53 954.154.354554.75Time (s)圖18右踝關(guān)節(jié)總體受力情況六、Anybody應(yīng)用總結(jié)通過(guò)此實(shí)例的分析，可以初步了解應(yīng)用Anybody軟件進(jìn)行人體仿真實(shí)驗(yàn)的步驟。首先進(jìn)行動(dòng)作 信息的采集，然后根據(jù)需要構(gòu)建人體的骨骼、肌肉模型，設(shè)定求解程序，之后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到 相關(guān)的數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)而進(jìn)行分析、綜合，得到相關(guān)的器官受力情況。利用