深度学习3D肌肉控制人体下肢生物力学模型及其应用研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51875187
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0507.机械仿生学与生物制造
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The human biomechanical model is an important common basis for studies of human injury mechanisms, pathologies, and corresponding prevention and treatment device design. Diabetic foot is one of the most common and extremely serious long-term complications of diabetes. Reasonable distribution of plantar pressure is one of the main methods to solve this problem. However, there are still some problems like the influences of individual muscle strength differences on the mechanism of diabetic foot ulcers, which lead to unreasonable design of the special insole. Therefore, this project focuses on the study of 3D muscle individuality modeling based on the differences in the characteristics of living muscles and the construction of human lower extremity biomechanics model coupled with deep learning closed-loop muscle control method, in order to explore the mechanism of diabetic foot ulcers under gait loading and optimal design of the individualized insoles. The project firstly measures the characteristics of human living muscles in motion by combining ultrasound mechanical imaging and other techniques, and compares the motion data to drive the individualized 3D modeling of muscles; then the 3D active muscle human body lower extremity model is built by coupling PD closed-loop control method based on deep learning to achieve human gait modeling by finite element simulation and reveal the effects of muscle forces on the formation of diabetic foot ulcers in gait. At the same time, taking into account the computational efficiency, an individualized insole rapid optimization design method based on the rational distribution of dynamic plantar pressure is established through an agent model, and complete engineering verification.
人体生物力学模型是人体损伤机理、病理及相应预防与治疗器械设计等研究的重要共性基础。糖尿病足是一种最常见且极为严重的糖尿病长期并发症,合理分配足底压力是解决该问题的主要方法之一,但尚存在个体肌肉力差异对糖尿病足溃疡形成影响机理不明确等问题进而造成专用鞋垫适配设计的不合理。因此,本项目重点研究基于活体肌肉特性差异的3D肌肉个性化建模,及耦合深度学习闭环肌肉控制方法的人体下肢生物力学模型构建,以探究步态加载下糖尿病足溃疡机理及个性化鞋垫的优化设计。项目首先结合超声力学成像等技术在线测量运动中人体活体肌肉特性,对比运动数据以驱动肌肉的个性化3D建模;继而耦合基于深度学习的PD闭环控制方法建立3D主动肌肉人体下肢模型,实现人体步态的有限元模拟,以揭示步态中肌肉力作用对糖尿病足溃疡形成的影响规律;同时兼顾计算效率,通过代理模型建立基于足底动态压力合理分布的个性化鞋垫快速优化设计方法,并完成工程化验证。

结项摘要

人体生物力学模型是人体损伤机理、病理及相应预防与治疗器械设计等研究的重要共性基础。糖尿病足是一种最常见且极为严重的糖尿病长期并发症,合理分配足底压力是解决该问题的主要方法之一,但尚存在糖尿病足溃疡形成机理不明确等问题进而造成专用鞋垫或足矫形器适配设计的不合理。本项目结合医学影像学与机械加载实验研究了人体活体骨骼肌与足底软组织三维建模参数的个性化反求;耦合神经动力学算法、肌骨动力学与有限元分析方法建立了人体下肢的动态生物力学分析方法,实现了足踝步态动力学分析与内部组织应力应变响应的同步监测;基于批量临床患者实验明确了糖尿病患者与正常人下肢肌肉及足底软组织的差异,并结合步态仿真分析揭示了糖尿病患者足溃疡发生的机理;进而基于自主提出的足底压力中心线自适应调节概念完成了适用于糖尿病、扁平足及糖尿病合并扁平足患者的仿生鱼骨足矫形器设计与数字化制造,并通过>60名患者临床实验验证了其有效性与可靠性。研究成果解决了下肢康复医疗器械性能评估与优化设计缺乏虚拟仿真评估工具与方法的部分难题,为高端、个性化康复医疗器械的设计提供了理论基础与方法参考。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(9)
Quantitative cervical spine injury responses in whiplash loading with a numerical method of natural neural reflex consideration
用自然神经反射考虑的数值方法定量颈椎损伤反应
  • DOI:
    10.1016/j.cmpb.2022.106761
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Computer Methods and Programs in Biomedicine
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Liang Ziyang;Mo Fuhao;Zheng Zhefen;Li Yu;ong;Tian Ye;Jiang Xiaobing;Liu Tang
  • 通讯作者:
    Liu Tang
Analysis of foot-ankle-leg injuries in various under-foot impact loading environments with a human active lower limb model
人体主动下肢模型分析各种足下冲击载荷环境下的足踝腿损伤
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of biomechanical engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Huang Jin;Huang Can;Mo Fuhao
  • 通讯作者:
    Mo Fuhao
Analysis of seat cushion comfort by employing a finite element buttock model as a supplement to pressure measurement
采用有限元臀部模型作为压力测量的补充来分析座垫舒适度
  • DOI:
    10.1016/j.ergon.2021.103211
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Industrial Ergonomics
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Yadav Sunil Kumar;Huang Can;Mo Fuhao;Li Junjie;Chen Jianping;Xiao Zhi
  • 通讯作者:
    Xiao Zhi
Morphological and Mechanical Properties of Lower Limb Muscles in Type 2 Diabetes: A New Potential Imaging Indicator for Monitoring the Progress of DPN
2 型糖尿病下肢肌肉的形态和力学特性:监测 DPN 进展的新的潜在影像指标
  • DOI:
    10.2337/db22-0009
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Diabetes
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Yang Zurong;Li Yu;ong;Tan Xiankui;Mo Fuhao;Liu Tang;Zhan Junkun
  • 通讯作者:
    Zhan Junkun
A human active lower limb model for chinese pedestrian safety evaluation
用于中国行人安全评估的人体主动下肢模型
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Bionics Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Mo Fuhao;Luo Dian;Tan Zheng;Shang Bo;Lv Xiaojiang;Zhou Donghua
  • 通讯作者:
    Zhou Donghua

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  • 通讯作者:
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    --
  • 发表时间:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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    --
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    段书用
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    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    肖志;李素雯;孔春玉;刘洪斌;莫富灏
  • 通讯作者:
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快速固化环氧树脂/碳纤维复合材料的性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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    --
  • 作者:
    郭帅;杨旭静;方文俊;韦凯;莫富灏;王彦科
  • 通讯作者:
    王彦科

其他文献

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莫富灏的其他基金

虚拟人在环的足踝外骨骼个性化助力机制与策略研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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