[发明专利]基于人体数字孪生思想的构建肩胛提肌高保真数字孪生体方法

说明书

本发明公开了基于人体数字孪生思想的构建肩胛提肌高保真数字孪生体方法，包括肩胛提肌高精度建模方法及其力‑形模型库构建方法、肩胛提肌组织本构模型研究及肩胛提肌高保真数字孪生体构建方法；研究动作与变形一体的肩胛提肌高精度三维几何模型建模方法，为下一步工作提供数据支撑；展开肩胛提肌组织动力学数值分析研究，结合肩胛提肌组织的力‑形几何模型库及相关试验数据，构建肩胛提肌组织本构模型，以此为基础建立肩胛提肌精确的生物动力学数值分析模型；肩胛提肌的数字孪生体借助数字孪生系统构建，主要包括信息采集、传输和处理系统、仿真计算系统和孪生映射系统；完成对人体肌肉结构高度一致的虚拟孪生映射。

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，具体为一种基于人体数字孪生思想的构建肩胛提肌高保真数字孪生体方法。

背景技术

肩胛提肌损伤是临床常见的一种颈肩部软组织损伤疾病，常见于长期伏案、坐姿不良人群，随着电脑等电子设备的使用越来越普及，近年来肩胛提肌损伤疾病呈发病率高，年轻化的趋势。因其临床表现与颈椎病、肩周炎相似，常被误诊为颈椎病或肩周炎等，使该病久治不愈。

据相关研究报道显示，采用针刺、小针刀与推拿相结合的中医治疗方法在肩胛提肌损伤治疗效果颇佳，应用越来越广泛。由于肌肉组织的特殊性和中医疗法的特点，中医对肌肉损伤治疗和康复的效果多依赖于医生的经验。

近年来，数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,备受学术界和企业界关注。数字孪生通过搭建融合传感器数据、运行历史等数据的虚拟数字模型，集成多学科、多尺度、多物理量的仿真过程，在虚拟世界忠实映射真实世界物体，实现通过虚实映射，诊断预测物理实体对象的状态，通过优化和指令调控物理实体对象的状态。数字孪生技术起源于智能制造领域，随着人们对数字孪生技术认知的深入，人体数字孪生的研究也成为医疗健康领域的重点。陶飞教授指出人体数字孪生将会成为个人健康管理、健康医疗服务的新平台和新实验手段。基于人体数字孪生，医护人员可通过各类感知方式获取人体动静态多源数据，以此来预判人体患病的风险及概率。

目前，人体数字孪生的研究还在起步阶段。总体来说，目前我国人体数字孪生的研究尚浅，人体数字孪生技术在肌肉方面的研究还没有见到。

肌肉组织三维几何模型的构建是构建肌肉数字孪生体的基础。目前一些专业专业的人体建模软件，如mimics、3Dslicer、anybody等在骨骼的建模上表现较好。由于肌肉组织在不同的运动状态下会发生形状的变化，如若需建立肌肉组织运动学三维模型，还需多次采集不同位置的医学断层图像，而且还很难实时反映肌肉模型的动态变化。研究者提出了各种建模方法,但都存在肌肉塑形耗时长、计算量过大、几何精度低的问题。

肌肉组织生物力学建模的关键是构建合理的肌肉本构模型。对于肌肉组织来说，其力学性能主要表为超弹性。超弹性材料拥有较好的伸缩性和复原性，呈非线性变化。对于超弹性本构模型来说，常见的有Neo-Hooken、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh等，其中Neo-Hooken本构模型被大多数学者所认可，选定模型后，通过拉断、单轴拉伸、单轴压缩等实验，明确力学性能，获得特性曲线，对所选的本构方程进行拟合，得到确定的本构模型参数，从而为仿真分析提供基础数据。但物理实验手段确定肌肉的本构模型存在力学实验过程度肌肉完整性难度大，肌肉的生理活性难以保证且程序复杂，手续繁琐等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人体数字孪生思想的构建肩胛提肌高保真数字孪生体方法，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于人体数字孪生思想的构建肩胛提肌高保真数字孪生体方法；

包括肩胛提肌高精度建模方法及其力-形模型库构建方法、肩胛提肌组织本构模型研究及肩胛提肌高保真数字孪生体构建方法；