人体足部运动的有限元建模及其生物力学功能耦合分析

人体足部运动生物力学研究在足部疾病治疗、体育竞技运动保护、康复与矫形器材设计、假肢的计算机辅助设计与制造、机器人足部精细设计及工程仿生、军事仿生等方面具有重要的科学意义与应用价值。本文基于人体运动生物力学试验测试、足部医学图像、逆向工程技术、有限元方法、生物耦合理论以及可拓方法对人体足部运动及其生物力学功能进行了建模研究与理论分析。 论文中自行设计、制作了人体足部红外反光标记系统,可用于多种运动状态下足部运动的试验研究与测试；基于足部医学图像和运动生物力学试验,创新性地提出了人体足部生物力学研究领域的首个纯动态二维足部有限元模型,借助该模型可对人体常速行走运动中的运动特征参数、足部各区域应力进行较好的仿真预测,并可进行相关足部临床病症的辅助分析；通过多次仿真筛选测试计算,提出了基于Slipring连接单元的肌肉建模方法；构建了基于解剖学的精细三维人体足部骨骼-肌肉系统有限元模型,为首次集成多条韧带(85)和多条足部外在肌肉组(12)的足部有限元模型。该模型可对足底压力、骨骼应力等参数进行合理预测与评估；结合生物耦合理论,从系统、整体角度对步态周期运动中的足部减震、储能功能,足部肌-腱、骨骼系统进行了理论分析,并借助可拓方法建立了两者的耦合可拓模型,对耦合信息进行形式化表达,为进一步相关工程仿生与军事仿生研究与应用提供了智力支持。