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骨肌系统生物力学建模及应用

作者:时间:2017-10-31点击数:

虚拟现实仿真技术在虚拟人体、医学教育、虚拟外科手术、远程医疗、医疗器械设计、极端环境下生物响应等众多医学领域具有极其重要的应用前景。目前,基于生物力学原理的虚拟现实建模仿真技术已成为研究骨肌系统生理机理、制定手术方案、评估治疗效果、开发康复训练系统、优化植介入医疗器械等必不可少的技术手段。

本成果针对骨肌系统从基础、临床到康复中存在的生物力学问题,提出了基于生物力学原理反映骨肌系统生理机制的虚拟现实建模方法,构建了面向骨肌系统治疗与康复的设计、评价和训练系统,并综合以上理论和系统,成功应用于骨肌系统手术方案的评价与优化、骨科内植物的设计和创新,以及骨肌系统的康复训练等方面,产生了较大的国际影响力,取得了良好的社会经济效益。

1)基于生物力学原理面向骨肌系统生理机制的虚拟现实建模

骨组织在力学刺激下的响应对于其生理功能建模和仿真至关重要,针对这一关键问题,本成果提出了对长期力学刺激下骨组织改重建过程进行生物力学建模和仿真的虚拟现实方法;研究了骨组织与植入物的相互作用规律,建立了对骨植入物近远期效果进行仿真和评价的方法;分析了残障特征导致的骨肌系统生理响应,建立了对脑瘫儿童足踝、脊柱畸形生物力学特性进行分析的虚拟现实建模方法;构建了宏观的非线性力学特性与微观的胶原纤维形态相结合的模型,有效描述了角膜在载荷作用下其内部组织形态的变化过程, 从微观层面揭示了眼组织损伤的发生机制。

2)基于虚拟现实建模仿真的骨肌系统治疗与康复设计、评价和训练系统

在发展基于生物力学原理的虚拟现实建模方法的基础上,针对个性化植介入体临床应用的实际需求,开发了具有生物力学评价功能模块的个性化植介入体设计系统,实现了个性化特征测量、植介入体个性化设计、生物力学与力学生物学优化、近远期效果评价等多个功能,具有国际先进水平;针对脑瘫儿童肌骨系统特殊的生理特征,开发了距下关节刚度测量系统、尖足步态实时监测与反馈训练系统、坐姿评价及矫形器优化设计系统,可以有效地提高脑瘫儿童的康复训练;针对老年人的行为特征,设计和开发了运动功能测试和训练系统,可用于指导和监测用户进行平衡、协调性、关节运动等康复训练。

3)基于生物力学原理的虚拟现实建模技术的典型应用

 1)足踝损伤与防护的生物力学仿真

本成果中所建立的虚拟现实建模仿真方法和所开发的设计、训练系统被成功应用于脑瘫儿童的足踝矫正,有效改进了现有的足内外翻的矫形效果,显著提高了脑瘫儿童尖足步态矫正率;同时,这些方法和系统也被成功应用于伞兵着陆过程中足踝损伤机制的仿真,为防护护具的改进设计提供了重要依据。

 2)膝关节损伤机制和重建手术的建模仿真

前述的建模理论和系统,被成功应用于膝关节手术的仿真和预演,真实模拟了前交叉韧带重建前后膝关节力学环境的改变情况,分析了术后骨隧道扩大、骨隧道穿透和骨性关节炎等术后症状的生物力学因素,对骨隧道角度、螺钉尺寸和刚度进行优化,有效减少了前交叉韧带重建对膝关节力学环境的影响,显著改善了术后关节的康复。

  3)个性化椎间融合器的优化设计

本成果中所开发的个性化植介入器械设计与评价系统,被应用于个性化椎间融合器的设计与优化中,可快速实现椎体及周围组织几何特征的识别、基于近远期生物力学和力学生物学性能的拓扑结构优化;设计和优化效率比现有技术流程提高10倍以上,为定制个性化椎间融合器提供了重要支撑。

 4)冲击载荷下眼损伤与防护机理的建模仿真

基于本成果发展的建模理论,建立了完整精细的全眼球模型,并验证了其可靠性与有效性,在此基础上,真实模拟了玻璃体和视网膜间的粘附作用,以及视网膜在钝击作用下由粘附到脱离的过程,首次揭示了冲击造成视网膜损伤及脱落的力学机理,为冲击性眼外伤治疗方案的设计提供了重要的理论指导。

本成果得到了国家自然基金创新群体、国家自然基金重大项目、国家科技支撑计划等的支持。研究成果共发表SCI收录论文29篇,包括生物力学领域顶级刊物 J. Biomech骨科领域著名国际期刊Int. Orthopaedics, 运动医学、航空航天医学著名刊物 Aviat Space Environ Med, 生物医学工程重要综合性刊物 Ann Biomed Eng, 眼科顶级期刊 IOVS等;应CRC 出版社邀请撰写出版专著 Computation Biomechanics of the Musculoskeletal System;获得国家发明专利授权30余项,获批软件著作权12项。  

本成果的主要内容骨肌损伤与康复生物力学研究获得了教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖,足踝损伤与防护生物力学黄家驷生物医学工程奖基础研究类一等奖。  

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