【摘 要】
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目的:尝试将数字孪生(DT)技术应用于人体骨骼分析,探索人体骨骼DT体开发的框架及其关键技术.方法:针对人体腰椎骨骼,利用虚拟现实(VR)动作捕捉技术和传感器技术采集人体重要位置处的数据,将所得大量实时传感器数据通过人工智能技术进行数据分类、筛选、约简与计算处理得到所需要的关键数据.通过人体反向动力学与生物力学算法对关键数据求解得到目标骨骼的空间方位信息与力学信息,将部分传感器数据与计算结果融合后对目标骨骼进行仿真模拟,得到目标骨骼的各种生物力学性能,并利用代理模型技术对未知姿态下骨骼的生物力学性能进行预
【机 构】
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大连医科大学附属第一医院骨科,辽宁大连116011;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024
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目的:尝试将数字孪生(DT)技术应用于人体骨骼分析,探索人体骨骼DT体开发的框架及其关键技术.方法:针对人体腰椎骨骼,利用虚拟现实(VR)动作捕捉技术和传感器技术采集人体重要位置处的数据,将所得大量实时传感器数据通过人工智能技术进行数据分类、筛选、约简与计算处理得到所需要的关键数据.通过人体反向动力学与生物力学算法对关键数据求解得到目标骨骼的空间方位信息与力学信息,将部分传感器数据与计算结果融合后对目标骨骼进行仿真模拟,得到目标骨骼的各种生物力学性能,并利用代理模型技术对未知姿态下骨骼的生物力学性能进行预测,最后利用计算机图形学技术将所得性能数据建模渲染得到真实骨骼的高保真DT体,实现对腰椎骨骼生物力学性能的忠实孪生映射.结果:人体DT构建系统包括物理装备系统、数据传输系统、数据处理系统、数值计算系统、数据融合系统、仿真预测系统、孪生显示系统及数据存储系统.通过各系统协同作用,利用穿戴式VR设备和少量传感器即可实时计算出目标骨骼的生物力学性能,结合实验数据对骨骼生物力学性能的评估、预测及反馈控制,实现对目标骨骼实时的健康监测.结论:基于DT技术可实现人体骨骼实时动态的高保真数字化显示和运动动作的实时模拟,同时可提供骨骼的生物力学性能动态仿真分析、损伤预测和危险姿态预警等,为人体骨骼疾病防治及骨骼健康的监测提供理论依据和方法参考.
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