人体是一个极其复杂的系统,由于个体间的差异性、多样性以及活体实验的局限性,使得开展人体生物特性的研究工作十分困难。与此同时,人们对生活质量的要求随着生活水平的提高而提高,如何预防运动损伤的发生、矫正一些畸形疾病及有效的评价医用内植入物,成为当前相关领域生物医学研究者的重要研究工作。本文基于上海交通大学生物医学制造与生命质量工程研究所承担的“中国力学虚拟人”国家自然科学基金重点项目以及两个分别与上海仁济医院和上海锐植医疗器械有限公司的合作项目为支撑,在建立人体脊柱胸腰部“骨-肌”三维几何模型和力学模型的基础上,以日常生活中常见的弯腰搬物为典型动作,对参与运动的相关肌肉的肌肉力进行了预测,再以预测的肌肉力为边界条件,分析了弯腰搬物过程中骨骼,椎间盘应力的分布规律,脊柱中心曲线的变形,椎体骨主应力的分布以及韧带的受力情况等。对青少年特发性脊柱侧弯进行个性化支具的设计及生物力学研究。在“中国力学虚拟人”胸腰部模型数据库中选择L4-L5基本功能单元对一例新型人工椎间盘进行生物力学评价。具体研究内容包括:1、人体脊柱胸腰部的“骨-肌”系统构建。采用图像分割和曲线最小二乘逼近的方法,精确获取骨骼和肌肉的轮廓信息。构建了符合人体解剖结构的胸腰部模型,包括:全部的12块胸椎(T1-T12)、12对肋骨和胸骨、5块腰椎(L1-L5)和骶骨(S)的重要信息,以及与脊柱屈伸功能相关的肌肉,包括:腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌、胸棘肌、腰棘肌、胸髂肋骨、腰髂肋肌、胸长肌、腰长肌、腰肌和腰方肌共计179条肌肉束的起止点和生理横截面积值。2、在医生的指导下完成了人体屈伸功能相关的179束肌肉的力学直线模型的构建。采用NDI运动捕捉系统获取弯腰搬物过程中脊柱的运动变化,利用表面肌电信号测量获取相关肌肉的肌电信号变化。采用二次规划方法完成运动过程中肌肉力的预测,为有限元计算确定边界条件。并通过获取的肌电信号与肌肉力的预测值趋势比较,对计算结果进行验证。3、基于人体骨CT的Hounsfield值与骨弹性模量之间的关系,确定椎体松质骨和椎体后部结构的材料属性。通过等效材料分析的方法简化人体纤维环的模型。分析人体胸腰部在四个姿势时椎体松质骨、皮质骨、后部结构、髓核、纤维环上应力的分布及韧带受力的变化规律、椎体骨主应力线的分布和脊柱在外载荷及肌肉力作用下的变形。4、根据一例右胸脊柱侧凸患者的CT数据建立了包括胸部至骨盆,肋骨完整的有限元模型,在有限元模型的基础上根据病人脊柱畸形的特点研究病人个性化支具的设计。并且根据临床实际加载模拟在不同束紧张力作用下脊柱形状的变化及支具上的作用力,结果表明个性化支具可以有效地矫正冠状面内的畸形并且可以减小如Boston支具引起的副作用。因此个性化支具的设计及分析方法可以有效地帮助矫形医生设计出更加有效的支具,提高矫形效果,具有重要的临床实用价值。5、在“中国力学虚拟人”模型库中选择L4-L5这一基本功能单元模型,通过把L4-L5间的椎间盘替换成人工椎间盘来进行人工椎间盘的生物力学研究和评价。得出以下结论:该人工椎间盘可以重建椎间盘的高度,满足椎间盘的运动功能,但会引起椎体上应力的改变和增大小关节上的受力,因此其长期疗效还要通过随访进一步观察。本文建立了人体脊柱胸腰部骨肌的三维几何模型及运动学模型和有限元模型,可以广泛地应用于生物力学研究,如对人工椎间盘进行体外的生物力学评价。对特发性脊柱侧弯病人进行个性化支具的研究可以指导支具设计师设计制造出矫形效果更好的支具,提高临床矫形效果。