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第1篇：生物力學與仿真技術范文

關鍵詞：個性化；股骨；假體；仿真

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0244-02

1 引言

隨著計算機圖形處理技術、仿真技術的不斷發展，計算機輔助臨床診斷、手術等應用越來越廣泛，特別是在骨科臨床領域的應用，計算機輔助骨科智能導航術成為骨科手術的首選方案。此應用在處理人工關節置換方面的意義也尤為重大，它不僅可以改變傳統手術醫生只能依靠平時經驗在大腦里進行術前模擬的狀況，而且實現了手術設計方案的資源共享，更重要的是可以有效地解決移植人工假體后引起的并發癥等問題。針對上述問題，提出了相應的解決方案，一是依據個性化數據，量體裁衣，設計、制造在形態學、生物力學、材料力學等方面能最佳適應個體股骨假體解剖特點的個性化、定制式的人工股骨假w；二是手術前仿真模擬、演練移植假體過程、精確預知移植后的效果。運用逆向工程技術原理及計算機仿真技術應用于術前手術仿真、移植假體設計制造等提供了現實途徑， 為臨床制定個性化股骨假體置換術前手術設計方案，確定股骨假體型號及手術預見效果，提供實體模型和設計依據[1]。

2個性化股骨假體移植的計算機仿真研究的具體實施方案

首先選取適合的成人股骨標本，運用逆向工程技術原理，采用醫用CT技術結合數字化三維醫學影像交互式控制系統Mimics軟件重建活體股骨三維模型，然后根據Billing等定義及立體解析幾何的原理，使用計算機輔助精準、半自動化地測量股骨頭直徑、容積及中心位置、股骨頸直徑、頸干角、髖臼前傾及外展角度、髖臼窩半徑等重要解剖參數，再應用計算機仿真技術、計算機逼近曲面擬合算法及有限元力學分析ANSYS等工具軟件，虛擬理想化人工股骨假體模型，研究其形態；虛擬其移植過程，比較活體股骨關節重建模型及假體移植后的力學分布曲線，為人工股骨假體置換術前三維可視化、優化手術方案以及研制適合各人不同體質、高匹配度及最佳力學曲線分布的定制股骨假體移植等提供技術支持、實體模型和設計依據，在條件成熟時，將此技術應用于臨床實驗，具體在以下六個方面進行實施。

（1）選取適合的成人股骨標本，利用逆向工程技術原理，根據Billing等定義及立體解析幾何的原理，探討出一種精準、簡便的股骨頸前傾角測量方法，推導出股骨頸前傾角公式，采用公式法計算右側前傾角結果，對比傳統測量結果；

（2）基于上述方法和測量過程，系統測量左右側髖臼前傾及外展角度、髖臼窩半徑等重要解剖學參數，為人工股骨假體置換手術及個性化定制假體設計提供解剖學基礎并初步探討臨床應用軟件設計與開發[2]；

（3）股骨三維可視化和形態學研究。采用股骨螺旋CT數據，結合數字化三維醫學影像交互式控制系統Mimics軟件，半自動分割髖臼窩、股骨頭、股骨頸及股骨干，利用體素重建的方法對股骨假體及股骨同時進行三維重建，從不同的角度觀察股骨三維立體及其周圍重要組織的毗鄰關系，并在模型上進行三維解剖學測量，探討其臨床應用，并為股骨假體移植、微創手術、立體定位、導航系統及仿真人工假體設計提供三維可視化模型[3]；

（4）利用有限元分析軟件ANSYS對完整股骨及股骨假體間接觸配合進行分析，構建正常成年人股骨三維有限元模型，模擬直接暴力作用股骨干橫界面生物力學研究，計算骨與假體接觸后的載荷情況，垂直水平面分別加載300-500N載荷，觀察載荷不斷增加后關節及股骨的應力曲線分布，提示股骨干以其內側中下1/3交界處的應力最大，從而為假體材料和植入后的研究提供有限元力學分析基礎。

（5）根據所測得的相關解剖學參數，設計個性化形態學的假體模型，同時模擬具有理想形態學的人工股骨假體植入。導入3D功能模塊，虛擬三維空間精確調整假體移植進人體中的位置。在計算機中成功仿真實現個性定制假體等手術，并可預見和評估手術的結果，從而制定出最優的手術方案?；颊咚璧膫€性化股骨假體和髖臼杯的型號將以報告的形式輸出，為提高手術成功率及延長假體植入的壽命提供了一條新的、精確合理的途徑。

（6）經過所有樣本的虛擬仿真測試，得到一套有效的治療步驟，將其應用到具體臨床實驗，進一步總結其存在的問題，驗證利用計算機輔助治療股骨假體移植的方法優于傳統治療手術方案，其臨床應用價值更高。

3 個性化股骨假體移植的計算機仿真研究的技術路線

在實施過程中，特別要注重標本數據的準確采集，同時在定制個性化假體過程中，重建假體三維模型、選取適合材料進行假體定制、利用仿真系統進行假體移植，都是手術方案設計的重要組成部分。個性化股骨假體移植的計算機仿真研究具體實施的技術路線：

4 討論

個性化股骨假體移植的計算機仿真研究首先探討一種精準、簡便的股骨頸前傾角測量方法，對股骨三維可視化和形態學進行研究，結合數字化三維醫學影像交互式控制系統Mimics軟件，利用體素重建的方法對股骨假體及股骨同時進行三維重建，并在模型上進行三維解剖學測量，探討其臨床應用，并為人工假體設計提供三維可視化模型，再利用有限元分析軟件ANSYS對完整股骨及股骨假體間接觸配合進行分析，構建正常成年人股骨三維有限元模型，模擬具有理想形態學的人工股骨假體植入。根據所測得的相關參數，設計理想形態學的假體模型，導入3D功能模塊，虛擬三度空間精確調整假體植入體中的位置并在計算機中成功的實現個性定制假體等手術，并可預見和評估手術的結果，從而制定出最優的手術方案，進行具體臨床實驗。

該研究根據人工股骨假體置換術前三維可視化、優化手術方案以及研制適合個體差異的個性股骨假體產品，來解決股骨假體移植手術由于術后經常出現假體松動、術后多種并發癥，從而造成假體關節脫位、返修等諸多問題。為臨床制定股骨假體置換術前方案，確定股骨假體型號及手術預見效果，提供實體模型和設計依據，研究成果可以顯著降低手術風險、提高手術成功率，減少術后并發癥，延長假體的壽命，提高假體匹配率[4]。

參考文獻：

[1] 劉斌.股骨頭壞死與骨折計算機輔助手術技術研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[2] 吳淑琴.股骨皮質骨生物力學特性研究[J].中北大學學報，2012，33（2）：216-220.

第2篇：生物力學與仿真技術范文

關鍵詞 虛擬原型 機電一體化 技術

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A

隨著全球經濟的增速發展，制造行業之間的競爭日趨激烈，競爭的核心已經轉移到以創新技術和高附加值為基礎的新產品的競爭。作為制造行業的企業，一方面為了企業的可持續性發展，提高產品在制造行業的競爭力，就必須解決其產品的“T（時間）”、“Q（產品質量）”、“C（成本）”、“S（售后服務）”、“E（環境）” 等難題。另一方面，隨著計算機技術以及相關高新技術的快速發展，全球性的市場競爭日益激烈，產品消費結構不斷向多元化方向發展，面對無法預測的市場需求以及用戶對產品的個性化需求，企業就必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產品的研發的周期，提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新設計，這樣才能夠應對快速多變的市場需求以及用戶的需求，進而使企業在激烈的競爭中立于不敗之地。

1虛擬原型技術的基本原理

虛擬原型技術是一種以CAX/DFX技術為基礎的并行設計思想，與傳統的串行設計思想相比，最大的優點在于它將多領域技術設計的不同功能的子系統有機的結合起來，通過一定的關系形成一個動態系統。從構成上看，虛擬原型是由不同工具開發的子模型組成的模型聯合體，主要包括：產品的CAD模型、外觀模型、功能和性能仿真模型以及電氣和控制模型等。借助于這種技術，工程師們可以通過計算機軟件建立機械模型，利用各學科等領域的理論在虛擬工況環境下分析產品關鍵性能指標，進一步進行可視化處理，并根據仿真的數據結果對系統進行完善和優化。通過虛擬原型技術，設計人員可以在實物樣機制造出來之前，通過計算機軟件在很大程度對產品的總體性能進行了解，從而縮短研制時間，降低系統研制成本，提高了產品的競爭力。

2虛擬原型的關鍵技術及發展應用

2.1虛擬原型的關鍵技術

雖然虛擬原型技術還處于發展的初期階段，還沒有形成一個完整的技術體系，但是一些關鍵技術已經得到廣泛認可。主要包括系統總體技術、支撐環境技術、虛擬現實技術、多領域協同仿真技術、一體化建模和信息/過程管理技術等。

2.1.1系統總體技術

系統總體技術從產品設計的全局出發，規定和協調子系統的運行和支持虛擬原型開發的各部分之間的關系，使各個部分組成一個有機的整體，實現信息、資源的共享，最終完成總體的設計?？傮w技術主要涉及規范化的標準、協議、集成技術和方法以及系統的運行模式等。

2.1.2支撐環境技術

虛擬原型支撐環境技術是一個支持并管理產品全生命周期虛擬化設計過程與性能評估的活動，支持分布異地的團隊采用協同 CAX/DFX 技術來開發和實施虛擬樣機工程的集成應用系統平臺。這種技術能提供相應數據、模型、CAX/DFX 設計工具等，而且還能支持復雜產品的設計活動。更重要的是這種技術還能支持虛擬原型開發設計過程中組織、過程和技術三個重要組成部分的有機結合，并對虛擬產品數據/模型以及項目進行管理和優化，支持不同工具，能夠將不同的應用系統集成。

2.1.3虛擬原型技術的發展應用

虛擬原型技術是有多學科技術支撐的一門新興綜合性技術，發展前景廣闊，市場巨大。虛擬原型技術面對產品設計的整個過程，使產品設計人員與用戶之間的相互聯系更加緊密，縮短研制的周期，降低技術的風險，提高產品的質量，降低了產品的成本，增強了企業的競爭力。在國內，由于虛擬原型技術在產品設計方面的絕對優勢，使設計人員對其越來越親睞，從各個關鍵技術的研究到開發模式研究亦逐漸形成一定的規模。這樣必將促進這一先進制造技術的推廣和應用，增強我國企業新產品的研發能力，提高我國企業在世界制造業中的地位。虛擬原型技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用涉及到汽車制造業、工程機械、航空航天業、造船業、機械電子工業、國防工業、通用機械到人機工程學、生物力學、醫學以及工程咨詢等眾多領域。

3虛擬原型技術與機電一體化產品設計

虛擬原型技術是一種以先進建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術等為基礎的嶄新的產品開發的方法，與傳統的機電產品設計思想和方法比較具有很多的優點。可以推想，將虛擬原型技術融入到機電一體化產品的設計中將會使機電一體化技術得到進一步的發展，也將會產生一種先進的機電一體化設計技術。所以，對于兩者之間的關系我們可以從以下幾個方面進行分析和認識：

（1）從產品的開發設計的思想來看，傳統的機電一體化產品的設計通常是相對簡單規范化的串行開發過程，這種設計思想雖然是復雜的開發活動變得可理解、可管理，但是它沒有考慮到產品開發過程中各個環節之間的并行關系，導致產品開發周期長，開發成本高。前期的環節對后期的環節考慮少，導致設計返工次數很高，更重要的是沒有充分估計產品的可制造性，很難在早期發現并解決問題，尤其是對于復雜的產品設計。

（2）從今后產品設計發展趨勢來看，機電一體化產品設計屬于產品設計的范疇，虛擬原型技術必然可以應用到機電一體化產品的設計之中。機電一體化產品的設計基于多領域技術（計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等）融合、交互，數字化、虛擬化也是今后發展的趨勢。

第3篇：生物力學與仿真技術范文

【關鍵詞】交通事故；再現；關鍵技術

一、我國道路交通事故的現狀分析

我國機動車保有量和駕駛人數量迅猛增長，截止2014年1月，我國機動車保有量已達2.5億輛，駕駛人已達2.75億人，每百戶家庭擁有汽車21.5輛，按照國際通行的每百戶家庭20輛車的”汽車社會”標準，我國已經快步進入“汽車社會”。到去年底，我國公路總里程已達424萬公里，居世界第一。但是，交通參與人的文明素質、守法意識與飛速發展的車輛和道路沒有同步前進。大量的交通違法行為引發多起交通事故，造成了相當數量的人員傷亡和財產損失，道路交通安全形勢非常嚴峻。據統計，我國每年發生的交通事故達數十萬起，每年因交通事故死亡人數近達數萬人，已經連續十余年居世界第一。以2013年為例，全國共涉及人員傷亡的道路交通事故20多萬起，造成近10萬人死亡。其中，發生一次死亡3人以上道路交通事故834起，發生一次死亡5人以上的道路交通事故209起，發生一次死亡10人以上道路交通事故16起?？梢哉f，目前我國的道路交通安全形勢異常嚴峻！

二、道路交通事故再現

道路交通事故再現的兩大核心任務是確定事故車輛車速及碰撞發生位置，碰撞發生位置一般是根據事故現場痕跡的突變等證據而直接進行判斷，而事故車輛車速則必須根據事故現場痕跡再依據相關理論進行計算才能獲得。由此可知，事故現場痕跡是事故再現的基礎，其包括人體痕跡、車體痕跡、路面痕跡、其他痕跡。其中人體痕跡主要指人體損傷等；車體痕跡主要指車輛變形；路面痕跡指事故中遺留在事故現場的痕跡，包括車輛制動距離，行人拋距等；其他痕跡則包括監控視頻、鞋、帽、玻璃碎片等。

根據能量守恒的原則，可以視為碰撞后車輛的動能完全轉換為熱能而通過車輛與路面的摩擦而被相關參與方吸收，由此計算出事故車輛車速，這一方面相對而言較為古老，新意看起來亦不足，但不可否認的是，如果車輛在事故中完全制動，則用這一方法所獲得的事故車輛車速的可靠性是很高的；其缺陷是，如果事故車輛未完全制動，使得車路之間的摩擦系數不能正確給出，則無法使用此類方法獲得可靠的結果?；谛腥藪伨嗟氖鹿受囁儆嬎惴椒ǖ难芯亢芏啵谠缙谌藗兺ㄟ^物理試驗并借助回歸分析方法獲得若干行人拋距與事故車輛車速之間的關系模型；而隨著仿真技術的發展，亦有相關研究者借助仿真試驗，對已有的模型進行了進一步的補充，事實證明，這些方法對于計算事故車速特別是車人碰撞事故中事故車輛的車速，具有極高的應用價值。但一如果碰撞未知的情況下，如何對事故車輛車速進行預判呢？文獻中作者就此做了相關的研究工作，指出可以通過研究行人拋距與車輛制動距離間的關系，進而對事故車速、碰撞發生位置、車輛制動情況等進行預判，試驗及案例證明，這些方法是有效的。這些方法的獲得，為更好地利用行人拋距、車輛制動距離再現交通事故車速提供了支持，但需要注意到的是，有些方法特別是基于行人拋距的事故車速預估方法方面，尚缺乏理論驗證，如能在理論上做出證明，則應能使得這些方法的說服力更強。在人體痕跡方面，此處主要指的是依據人體損傷對交通事故進行再現分析，通過長期的研究，學者們對人體不同部位的損傷與車速的對應關系進行了研究，并得到了若干有價值的結論，這些工作為更好地利用人體損傷再現事故提供了方法支持。同時，因人體損傷涉及到損傷生物力學領域，故人們更多地是從行人保護、人體不同部位耐受極限以及碰撞后人體動力學響應等角度出發，對交通事故進行再現研究分析，以獲得降低事故中行人傷害的相關措施，進而提出改善道路交通安全、特別是汽車安全的具體對策。這些研究工作的開展，一般很難通過純理論的手段解決問題，常需借助相關仿真軟件才能實現。

在車體痕跡這一塊，相關研究工作開展的較早，人們建立起車體變形與車速的若干對應關系。通過將車體視為彈性體，進而在大量實驗與理論研究基礎上，建立起了車輛變量與事故車速的對應關系，或者通過研究摩托車軸距的縮短而預估其碰撞的車速，隨著科技及技術手段的進步，人們現在已經開始嘗試著依據車輛擋風玻璃的變形量預估車人碰撞事故中事故車輛的車速，并已經取得了若干有建設性的成果。同人體損傷痕跡的研究方法一樣，車體損傷痕跡在事故再現中的應用常需要借助仿真軟件才能實現。在其他痕跡方面，主要包括玻璃碎片、視頻監控等痕跡信息在事故再現中的應用研究。吉林大學許洪國教授團隊根據其早期在事故再現實踐工作中的工作需要，提出了利用玻璃碎片拋距計算事故車速的思路，并提出了玻璃碎片廣義拋距、硬路面玻璃碎片拋物運動等模型，且將這些方面應用到實際的事故再現分析中，結果顯示，效果較好。隨著我國道路視頻監控的大力推廣普及，擁有視頻錄像的交通事故越來越多，對于此類事故，人們更愿意去調用視頻監控錄像，再進行合理的處理后，以獲得可靠的事故發生全過程。但比較特別的是，人們將視頻圖像技術用于事故再現領域，并非僅僅獲取事故車輛車速，更多的是用于再現事故現場，近年來無論是從技術層面還是從產品角度，都取得了若干豐富的成果。但因為這種痕跡信息并非每一例事故都擁有，因而由此而產生的相關技術、方法不可能作為事故再現領域的普及方法而大力推廣。

從理論上而言，借助仿真軟件是能夠非常完美地再現任何一例交通事故的，且其所得的結亦是具有極高的說服力，至少比任何僅依靠單一痕跡的事故再現結果的可靠性要高的多。但事實上，另外一個問題卻凸顯出來了，那就是事故現場的痕跡問題。事故再現的基礎是事故現場的痕跡，痕跡的好壞直接決定了事故再現結果的可靠性與精度，為了進一步提高事故再現結果的精度與可靠性，人們開始嘗試加強對于事故現場痕跡的提取方法進行研究；另外一些學者開始探索接受這些不可靠痕跡給計算結果所帶來的不確定性問題，即事故再現結果的不確定性分析問題。對于前者，人們研究了事故現場痕跡提取新方法、新設備以及事故現場所提取痕跡的不確定性問題，文獻中作者較為全面地解決了基于攝影測量的事故現場痕跡提取及標定等技術，并開發了相應的便攜式攝影測量設備，其產品在一些基層公安組織中得到應用與推廣，而其他的相關研究工作亦非常之多，這些研究工作保證了新技術在事故再現領域的良好口碑。亦有學者對于事故現場所測量痕跡的不確定性問題做了相關研究，指出大多數測量所得參數服從正態分布，但注意到這些參數的真值其實是不知道的。故又有很多學者對事故再現結果的不確定性問題開展了相關的研究，提出了若干解決事故再現結果不確定性問題的方法。這些工作為提升事故再現結果的可靠性做出了卓越的貢獻，但在當前的客觀環境下，大規模地推廣攝影測量技術，還有難度，對于一線交警而言，其更需要實用的事故現場痕跡信息采集技術，以保證其能夠輕松而又準確地完成對事故現場的勘查工作。

結束語

本文以提升道路交通安全為研究目的，從交通事故再現及道路交通主動安全兩個方面開展研究，以獲得用于分析研究道路交通安全的基本方法。

參考文獻

[1] 孫軼軒.基于數據挖掘的道路交通事故分析研究[D].北京交通大學，2014.