簡述人體工程學(xué)的研究方法精選(九篇)

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第1篇：簡述人體工程學(xué)的研究方法范文

關(guān)鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學(xué)

1 有限元法的發(fā)展歷史及在人體生物力學(xué)中的運用

1.1有限元法的發(fā)展歷史 有限元法（finite elementsmethods，F(xiàn)EM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學(xué)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、生物力學(xué)等問題。其基本思想是把一個由無限個質(zhì)點和有無限個自由度構(gòu)成的連續(xù)體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學(xué)分析，獲得整個連續(xù)體的力學(xué)性質(zhì)。有限元法最早可上溯到20世紀40年代?，F(xiàn)代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結(jié)構(gòu)時成功應(yīng)用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人們認識到它的功效。我國河海大學(xué)教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應(yīng)用起了很大的推動作用。

1.2有限元法運用于人體生物力學(xué)研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報道將有限元分析方法應(yīng)用于生物力學(xué)方面研究。80年代后，應(yīng)用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎及其附屬結(jié)構(gòu)等生物力學(xué)研究中。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優(yōu)越性并已逐漸成為研究人體生物力學(xué)的重要手段。人體力學(xué)行為研究基本無法采用傳統(tǒng)的力學(xué)實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認識的有效措施?；谟邢拊浖找嫱晟频慕９δ芗凹嫒谄渌嬎銠C輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實再現(xiàn)三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現(xiàn)實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、三點彎、抗疲勞等力學(xué)實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內(nèi)部能量變化、應(yīng)力/應(yīng)變分布、極限破壞等數(shù)據(jù)[3]。

1.3有限元法在人體生物力學(xué)研究中的建模思路 有限元建模即建立為數(shù)值計算提供原始數(shù)據(jù)的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網(wǎng)格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現(xiàn)，是有限元法仿真試驗最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結(jié)果，醫(yī)學(xué)有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以從幾何參數(shù)設(shè)定、激光掃描、標本切片和磨片以及醫(yī)學(xué)影像圖像獲得。其中醫(yī)學(xué)影像法最為以無創(chuàng)的方式提供了高精度的人體解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，基于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現(xiàn)人體解剖結(jié)構(gòu)的可視化乃至生物力學(xué)仿真的有限元模型。包括X射線、超聲、CT、MRI等途徑，其中CT掃描是主流方式，CT結(jié)合MRI是新亮點。

通過X射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射線照片獲得幾何數(shù)據(jù)重建三維模型，是一種經(jīng)濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復(fù)雜，對研究者經(jīng)驗要求較高，現(xiàn)行醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用較少。還有研究者基于超聲影像技術(shù)建模，如趙婷婷[4]等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏[5]等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應(yīng)力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學(xué)研究探索新的方法學(xué)途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領(lǐng)域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫(yī)學(xué)相關(guān)的基本超聲影像技術(shù)的三維有限元研究相關(guān)報道。這或許是因為基于超聲影像技術(shù)的力學(xué)研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應(yīng)用在工程技術(shù)方面的有限元法結(jié)合運用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用更為普遍。MRI技術(shù)具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，能清晰顯示人體結(jié)構(gòu)的組織學(xué)差異和生化變化?；贛RI圖像能獲得細致的幾何模型。但MRI偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國內(nèi)常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細的幾何數(shù)據(jù)，影響到重建圖像的清晰度精確性。基于CT掃描獲得幾何數(shù)據(jù)的建模的方法目前應(yīng)用最為廣泛。CT根據(jù)密度不同來確定信號的強弱，可以通過調(diào)節(jié)掃描條件，使任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的三維結(jié)構(gòu)?？汕逦@示骨與軟組織的邊界，通過醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)能獲得骨骼比較準確的幾何數(shù)據(jù)，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)獲得準確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數(shù)據(jù)，須參考相關(guān)解剖資料。CT/MRI數(shù)據(jù)重建的三維模型，能夠真實的再現(xiàn)被掃描對象的表面特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，CT的空間分辨率高于MRI，CT對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對比分辨率高于CT，特別是軟組織對比明顯優(yōu)于CT。通過CT結(jié)合MRI法將能融合二者優(yōu)勢，但對研究者圖像處理技術(shù)有更高的要求。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前CT提取骨組織結(jié)合MRI提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才[6]等基于CT影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于MRI影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板和內(nèi)外側(cè)副韌帶的三維實體模型。將CT和MRI影像數(shù)據(jù)進行配準融合，獲得包含骨性和非骨性結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)三維實體模型。

2 有限元建模的常用軟件

人體生物力學(xué)有限元模型的精確性對有限元分析結(jié)果的合理性有直接影響。三維重建技術(shù)與有限元方法及其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合是未來發(fā)展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發(fā)展。常用的建模輔助軟件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等軟件。其中最常用的是MIMlCS軟件，它的FEA模塊可以將掃描輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理建立3D模型，然后對表面進行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在有限元分析中。它還可基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位對體網(wǎng)格進行材質(zhì)分配。MIMICS的網(wǎng)格重劃功能能方便地將不規(guī)則三角片轉(zhuǎn)化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質(zhì)量和處理速度，對輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化，目前版本已發(fā)展到MIMICS17.0?，F(xiàn)常用有限元軟件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys軟件，目前版本已發(fā)展到Ansys15.0。

3 手部三維有限元的運用進展

手部因其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動靈活精細、力學(xué)分析困難的周圍組織對手部力學(xué)因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領(lǐng)域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數(shù)據(jù)結(jié)合ABAQUS軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手CT掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經(jīng)、血管等軟組織為整體的軟組織模型和手部骨骼模型兩部分，手部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)未曾細化。抓握功能通過參數(shù)約束、程序運動規(guī)劃控制下實現(xiàn)，而并非基于神經(jīng)肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領(lǐng)域有一定實用價值，但遠不能滿足醫(yī)學(xué)研究的需要；陳志翔[8]等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結(jié)構(gòu)，建立手部肌肉模型，并以程序設(shè)計約束指間運動關(guān)系，通過控制肌肉收縮量來實現(xiàn)手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數(shù)學(xué)方程人為控制，而非通過人手實際解剖結(jié)構(gòu)獲得。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，Carrigan等[9]通過CT掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內(nèi)的手腕關(guān)節(jié)復(fù)合模型；國外的Ko等和國內(nèi)的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進一步探討腕部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為提供了一個可操作的平臺；Anderson等[11]最早通過腕關(guān)節(jié)三維有限元模型模擬了創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標準，建立了首例類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者腕關(guān)節(jié)三維有限元模型。國內(nèi)其它學(xué)者也以解決臨床問題為出發(fā)點，對手的部分結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內(nèi)固定治療情形，研究兩種治療方法優(yōu)劣問題；董謝平等[14]以中國力學(xué)可視人原始資料為依據(jù)，構(gòu)建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防護腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關(guān)節(jié)三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩[16]等基于現(xiàn)有個人電腦平臺，建立了腕關(guān)節(jié)有限元模型，進一步證明利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和三維重建軟件準確、快捷地構(gòu)建腕關(guān)節(jié)的三維有限元模型有可行性。

4 小結(jié)

手部建模是虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域研究的熱點之一，在工程領(lǐng)域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更多涉及腕關(guān)節(jié)這一部分結(jié)構(gòu)，囊括手部骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經(jīng)、皮膚等組織結(jié)構(gòu)較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關(guān)節(jié)數(shù)目較多、相互關(guān)聯(lián)較復(fù)雜，是一個復(fù)合性的機械結(jié)構(gòu)，在建模時要同時考慮到骨骼、關(guān)節(jié)面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學(xué)中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統(tǒng)一的建模標準。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現(xiàn)階段研究難點，也是實現(xiàn)虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術(shù)的進步及多學(xué)科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。

參考文獻：

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第2篇：簡述人體工程學(xué)的研究方法范文

關(guān)鍵詞：采礦工程 實驗教學(xué) 教學(xué)模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0230-02

Abstract：Mining engineering professional experiment teaching to train students for mine construction and production of the overall cognition and for different mining design ability， and the future in the field of ability in practical work has vital role. According to the present situation of experiment teaching for the specialty and problems， and puts forward some innovative teaching modes， and has obtained certain achievements through practice.

Key Words：Mining engineering； Experimental teaching； Teaching mode

采V工程專業(yè)是應(yīng)用性和實踐性很強的工科專業(yè)，該專業(yè)對于學(xué)生對礦山的整體認知和系統(tǒng)認知有很高的要求。該專業(yè)的實驗教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力有很好的承上啟下的作用。作為長期從事采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)一線的老師，在該專業(yè)的采礦學(xué)開拓系統(tǒng)、采礦工藝，礦山壓力與巖層控制中的采場上覆巖層移動規(guī)律實驗，井巷工程的巷道施工、硐室施工、交叉口施工等課程的教學(xué)中體會到了很多不盡合理的地方并進行逐步的改進。

1 采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

新疆工程學(xué)院是一所2012年完成升本的工科應(yīng)用類本科院校，其中采礦工程專業(yè)是隸屬于采礦系的一個教學(xué)單元，實驗課程有礦井開拓系統(tǒng)實驗、采礦方法及采區(qū)巷道系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)實驗、采場上覆巖層移動規(guī)律實驗、相似材料模擬實驗、巖石抗壓強度試驗、鉆眼爆破施工工藝、交叉點及施工方法、開采引起地表與覆巖移動與破壞實驗、礦井氣候條件及通風(fēng)阻力測定等實驗課程。在教學(xué)過程中存在以下問題。

（1）每門專業(yè)課的實驗教學(xué)僅僅圍繞本課程的課本內(nèi)容講解和設(shè)計，完全依附于課堂教學(xué)，和其他專業(yè)課交集很少，這與采礦工程的專業(yè)特性是不相符的。礦物開采是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，就像人體的血管系統(tǒng)一樣是相互影響、相互制約的精密體系。它的所有專業(yè)課程必須體現(xiàn)它本身的這一特點。同樣，采礦工程各專業(yè)課的實驗教學(xué)也必須體現(xiàn)這一特性。但在該校實際的教學(xué)過程中，是相互割裂的，沒有融會貫通。比如在采礦學(xué)的開拓系統(tǒng)實驗課中，往往只涉及立井、斜井、平峒、綜合，單水平、多水平系統(tǒng)的模型展示，而沒有將其與礦壓、掘進施工、通風(fēng)、爆破安全等課程進行相關(guān)知識點的鏈接。掘進施工與礦壓、通風(fēng)緊密相關(guān)，在實驗?zāi)M是只講施工方法，但每種方法與礦壓、通風(fēng)的關(guān)系又不涉及。這種缺陷貫穿于整個采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，造成學(xué)生掌握的知識點也是割裂的，無法融會貫通，對礦業(yè)開采無法形成系統(tǒng)整體的概念，對將來畢業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)以及現(xiàn)場工作會造成很大障礙。

（2）實驗教學(xué)課時太少，過程僵化。該校采礦工程實驗課一般就是2個課時，這么短的時間嚴重限制了實驗教師的授課內(nèi)容和授課方式。實驗教師只能簡述一下實驗原理和儀器使用，學(xué)生也是在準備不足的狀態(tài)下匆忙連接儀器，粗略地完成實驗內(nèi)容，教師也沒有充分時間對實驗過程進行控制。很多學(xué)生還沒摸到儀器，就到下課時間了，這樣學(xué)生就失去了對實驗課的興趣，教師也沒有成就感，形成惡性循環(huán)。

實驗課程的授課模式也是以教師為主、學(xué)生為輔，教師一直在講，在示范，學(xué)生被動地聽，簡單地模仿。教學(xué)過程沒有交流、沒有討論、沒有活躍的學(xué)習(xí)氛圍。

2 對實驗教學(xué)的重新設(shè)計

（1）把每門專業(yè)課涉及的實驗課與其他專業(yè)課的實驗內(nèi)容進行有機的聯(lián)系，消除以往割裂的狀態(tài)。比如在講授采礦學(xué)的礦井開拓系統(tǒng)模型課上，可以將每種開拓方式下對礦山壓力的適應(yīng)模式穿來，使學(xué)生形成系統(tǒng)而立體的概念，這樣，在學(xué)習(xí)礦山壓力這門課時，就會自然將開拓系統(tǒng)融合進來，起到事半功倍的作用。再比如進行巷道位置選擇及斷面形狀模型展示時，將不同巷道位置、不同巷道形狀的選擇與開拓系統(tǒng)和礦壓分布的關(guān)系一一書面展示，并由實驗課教師詳細講解，達到融會貫通的目的。這樣，就要求每門專業(yè)實驗課的教師在熟悉該課程的教學(xué)內(nèi)容外，對其相關(guān)專業(yè)課程的內(nèi)容也要深入了解，這樣才能將關(guān)聯(lián)知識點有機結(jié)合，系統(tǒng)地講解。同時，要求有足夠的課時量來保證增加內(nèi)容的有效講解。還有就是要增加模型設(shè)備的投入，每門實驗課增加一些相關(guān)課程的實驗設(shè)備，現(xiàn)場就可以進行關(guān)聯(lián)知識點的直觀學(xué)習(xí)。

（2）改變舊的教學(xué)模式。傳統(tǒng)的實驗課教學(xué)模式，往往是教師先講解實驗原理，然后示范實驗過程和儀器使用，學(xué)生分組操作，得出實驗數(shù)據(jù)，填入實驗報告。這種方式以教師為主體，學(xué)生被動地模仿，一方面學(xué)生參與度低，沒有積極性，另一方面，達不到激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造能力的目的。為了消除這個弊端，回歸實驗課的本質(zhì)，可以將目前成熟的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式引入實驗課教學(xué)。即以學(xué)生為主體，教師適當(dāng)參與指導(dǎo)。從學(xué)生的角度來設(shè)計實驗過程，充分激發(fā)學(xué)生本身的求知欲、好奇心、創(chuàng)造感。

比如礦山壓力模擬測試，由學(xué)生自主查詢資料，來模擬一個現(xiàn)場的掘進工作面或采煤工作面，然后根據(jù)工作面實際情況來設(shè)計礦壓測試內(nèi)容。每人提供一個初步的提綱，教師來進行審閱，提綱內(nèi)容必須包括實際工作面的地質(zhì)、斷面等數(shù)據(jù)，測礦壓的目的是為掘進設(shè)備選型服務(wù)，還是為掘進工藝設(shè)計服務(wù)，是預(yù)測初步來壓，還是為加強支護提供數(shù)據(jù)，一定要明確。

這一步完成后，學(xué)生就會進入一個現(xiàn)場的環(huán)境中，會主動去尋求問題的答案。答案在實驗課現(xiàn)場的設(shè)備操作過程中可以獲得，學(xué)生會積極主動地、帶著目的性地進行實驗課的實際操作。不僅掌握了儀器的使用方法，更重要的是明白了儀器做出的數(shù)據(jù)是用來干什么的。極大地提高了實驗課的綜合效果，并且為學(xué)生將來在工作現(xiàn)場實際能力打下了堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

通過對實驗課的教學(xué)革新，采礦專業(yè)各專業(yè)課程的實驗課都有了很大的改觀，教師的知識面廣了，過去實驗課的弊端逐步減少，每個學(xué)生都能主動參與，而不是一人做大家看，實驗報告雷同的消極被動的情況。

實驗課是一個由感性認識到理性認識，再回到感性認識的一個循環(huán)往復(fù)的螺旋上升的提高過程，如何將實驗課過程精心地設(shè)計，以達到這樣一個過程，需要我們廣大實驗課程教師及相關(guān)專家在實踐中不斷完善。

參考文獻

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