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1、第一篇 人工器官概述 第一章 绪论 生物机械工程的概念 生物机械工程的地位 生物机械工程的主要研究领域 生物机械工程发展的基本条件 生物机械工程发展的主要趋势 生物机械工程：生物医学工程学的重要组成部分，它利用现代生物学、医学、 工程学、信息科学与技术的理论与方法，研究、创造新材料、新技术、新仪器设备， 用来提高医疗水平，治疗、康复、保健，保障人民健康，是推动现代医学进步的一门 新兴交叉学科。其涉及到以下领域： 1.1生物机械工程的概念 生物机械设计的基本特征 1.2 生物机械工程的地位 生物医学材料医学发展的物质基础，指用来制作各种人工器官、与人 体生理环境相接触的医疗用具和制品的材料 要求
2、：优越的生物相容性，亲水性、润滑性、防组织粘附性、抗炎性、抗 凝性、可是细胞在材料表面生长、恢复病变组织的能力、免疫识别能力、生物催 化活性、化学稳定性以及与天然组织相适应的物理机械性能等。 主要类型：天然高分子材料、金属与合金材料，无机生物材料，膜生物材 料，药物控释材料与复合材料等。 人工器官与人工肢体模拟自然器官功能的机械装置。 远程诊疗系统是计算机技术、网络通信技术和现代医学技术的有机融 合，他通过摄像机、显微镜、见算计等硬件设备、网络系统和信息接收设备，使 异地之间进行有关医学诊断、治疗、护理、咨询积极教育等方面的信息和数据传 递的工具。 运动与康复机械 医疗器械 医用机器人 1.3
3、主要的研究领域 试验研究的质和量都较差，试验手段不足，独创性和开发新的研 究较少； 研究机构的数量和设备条件、专业队伍的素质和技术实力、学术 活动的水平、人员的培训等跟不上发展的需要，科研与生产脱节，科 技成果转化率较低，没有形成开发新产品的设计和应变能力，普及工 作较差等。 发展生物机械工程的基本要求：技术融合、学科交叉。 1.4生物机械工程发展的基本条件和主要趋势 发展趋势 生物材料：提高生物材料的生物相容性 人工器官和人工肢体：由体外向体内型过渡，由大型向小型化、微型化发展， 由暂时应用向永久替代置换、长期应用发展，功能逐步完善，可靠性不断提高。 远程诊疗系统：远程放射学和图像归档与通信
4、系统，远程会议和远程诊断，远 程治疗，远程监护和家庭护理技术，远程教育、医学咨询，网上公共卫生和医学数据 库建立，国际医疗联网技术，应用人机工程学发展多媒体医学信息管理数据库，为远 程医疗研究服务等。 运动与康复机械：研究一种集康复训练、集功能测试、运动疗法和心理疗法为 一体的康复器械。 医疗器械：新型医学仪器、设备的研究，医学影像设备，医学电子设备，医学 物理化学分析装置，诊断装置，治疗装置，监护装置，检测装置，诊断治疗联合装置 ，医学生无信号遥测、遥感装置，医学影像显示、识别装置，医学数据处理装置，家 庭个人保健装置，康复器材等。 医用机器人：临床运用、微驱动机器人技术，“智能药丸”式机器
5、人、仿真、 图形导航、虚拟临床、多媒体通信、遥控操作研究、抱起机器人、背运机器人、人工 眼及视觉替代装置、障碍物识别装置、导盲犬机器人、点字翻译机器人、护理机器人 、会话用机器人。 人工器官概述 当人体自然器官因病伤不能用常规的方法救治时，现代医疗技术有可能给 病人置换上一个人工制造的器官，取代病损的器官功能，恢复病人健康，挽救病 人的生命。更换移植器官一般有两种途径，一种是同种异体的人工器官移植；一 种是用人工器官置换病损器官。由于人体器官来源困难，移植后的免疫反应、排 斥等问题尚未能完全解决，所以人工器官为一种行之有效的方法。 人工器官置换 人工器官发展的大背景人工器官发展的大背景 器官移
6、植的需求增加，而器官移植的需求增加，而 器官来源十分紧缺器官来源十分紧缺 人工器官的出现人工器官的出现 生物医学材料学的发生物医学材料学的发 展展 人工器官实质是一种能模拟自然器官功能的机械装置其发展大致分为以下 四个阶段： 维持生命最低限度功能的人工器官，在病人需要时只起到暂时性的 辅助作用。如：人工心肺机。 能代替主要部分或自然器官功能的人工器官。如：人工关节。 完全代替自然器官功能的人工器官。如：人工心脏瓣膜、人工血管 、人工心脏起搏器等。 具有超自然器官功能的人工器官。如：人工机械手。 总之，人工器官总的发展趋势大致可以分为由体外型向体内型过渡；由大 型向小型、微型发展；由暂时应用向永
7、久性替代装置、长期应用发展，其功能逐 步完善，可靠性不断提高。 5.2人工器官的发展历史和类型 人工器官的分类(如图5-1所示),人工器官按功能分为11类: 支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人 工肌腱、肌电控制人工假肢等。 血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工 心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。 呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人 工喉等。 血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等 。 消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。 排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 内分泌功能的人工器官
8、，如人工胰、人工胰岛细胞。 生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等 。 神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、 人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。 其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。 人工器官的类型 图5-1 人工器官分类 第二章 人体系统及其理论 第二章 人体系统及理论 人体系统工程及人体组成 人体数学模型 人体光学特性 人体电学模型 人体机械特性 人体系统工程：用系统分析、计算数学、最优化方法构筑模型，研究人体 系统的结构与功能状态，使各组成部分维持平衡、协调、有序，从而达到最佳功 能状态的应用技术。
9、目的：保障人的身心健康，提高人体素质，使人们高水平的工作和生活。 人体系统工程重视人体的动态性，既关心状态，更关心过程。研究方法广 泛多样，但特别强调定性到定量的综合集合法。 主要研究内容：医疗技术（处于由生物医学模式向生物-心理-社会医学转 变时期）、体育锻炼、心理卫生、保健养生和功效学。用人体系统工程的方法， 融合中、西医学之精华推动医疗技术的发展，应该作为主要研究方向。 2.1人体系统工程及人体组成 人体系统分类：运动系统、消化系统、呼吸系统、循环系统、泌尿生殖系 统、神经系统、内分泌系统等。 人体系统综合分析 其他 氢 碳 氧 其他 蛋白质 脂肪 水 体液 细胞外 液 细胞群 其他 血
10、液 骨骼 脂肪组 织 骨骼肌 人 层次1 （原子 ） 层次2 (分子 ） 层次3 （细胞 ） 层次4 （组织-系统 ） 层次5 （整体 ） 上述模型把把人体分为原子层次、分子层次、细胞层次、组织器官层次和整体层次。各层 次之间既区别又有联系，由此构成了人体完整的人体组成体系。 组织器官层次上：BM=肌肉组织+结缔组织+上皮组织+神经组织 整体层次上： BM=头+颈+躯干+上肢+下肢 分子层次上： BM=水+蛋白质+脂肪+矿物质+糖类+其他 细胞层次上： BM=细胞+细胞外液+细胞固定 影响人体组成成分的因素： 天体因素：宇宙中天体运行周期变动，影响生物的某些生理活动同步适应性 变化。如：人的体
11、温，血压，脉搏，血液中的肾上腺皮质激素、血红蛋白含 量及脑组织中的生化成分、皮肤代谢都与昼夜节律有关。 物理因素：磁场、环境温度、辐射以及重力变化的影响。 化学因素：非营养素（酒精、烟草和各种毒品等）和营养素（蛋白质、脂肪 、糖类、矿物质，以及各种维生素等）对人体的影响。 生物因素：基因及其表达的影响。如：年龄、种族和性别等。 行为因素：运动（如健美运动）、高速飞行、短期或长期宇宙航行、社会时 尚的影响。 在生物机械设计中，通常采用计算机建立特定工作状态的人体模型，把人体和 环境看作一个整体进行设计和分析，使人体模型按照动态要求进行模拟，以检验 人体与环境的干涉和碰撞，进行作业空间的考察，对布
12、局修改或重新设计，以得 到最优效果。 计算机辅助人体造型和运动模拟是一门综合性很强的学科，它涉及到空间机构 运动学、几何测量学、几何扑拓学、空间几何学、计算几何学、色度学、人体解 剖学、运动生物力学等学科。 2.2人体的数学模型 基于B样条曲面的人体模型 人体模型的建立必须首先考虑人体的基本结构及其运动自由度。我们将人的骨架 模型简化为16个关节（如下图所示)。每个肢体相对于前一个肢体的运动，可以绕原点 固定在关节点的局部坐标系的3个坐标轴的转 角、和作为运动参数，整个人体在空 间的位置需要3个坐标值来确定。因此建立人体模型的运动状态将由3*16+3=51个自由度 来确定，由51个参数确定人体
13、在空间的位置及个肢体的姿态。 我们取过人体丹田处的水平面与额状面、矢状面八分空间, 其两面的交 线分别为X轴、Y轴和Z轴, 并规定各肢体绕每个坐标轴转动时, 从该轴的正方 向来看, 逆时针方向为正, 顺时针方向为负, 设定人体的起始姿态为直立姿 态, 所有的动作角度均为相对于初始态(直立）的角度 手掌外形点变换示意图 由于采用的是人体模型的动态造型，各肢体间要发生相对运动，这就使得 肌体间会发生“挤压”和分离现象如图4所示。为消除这种现象，可以在构造人 体模型的过程中用超限插值的方法构造肢体间的过渡曲面。 基于Hanavad人体模型, 人体空中运动的系统动力学方程可由三种途径得 到: 以各刚体
14、为研究对象, 分别应用质心运动定理及动量矩定理写出动力学方程. 但是数学处理上的麻烦, 同时没有应用相对运动已知的条件。 取一个刚体为研究对象, 另一个刚体为动参系进行讨论, 仍然出现内部约束力. 取刚体系统为研究对象, 再取其中之一为动参系, 此时若能先确定牵连动动, 再 利用相对运动已知的条件便可确定系统的运动状态 显然, 上述第三种途径避免了前两种的缺陷, 可以借此对系统进行数值讨论 , 而人们又可以通过相对运动的选择去探求最佳的运动效果 基于Hanavan人体模型的无支撑运动数学模型 将( 1) 式写成标量形式, 并记成紧凑形式: 由此得到可供数值分析的系统方程 a)在开始做动作的瞬间
15、, 即使只有横翻角速度而无纵旋角速度, 但随着手臂动作 的完成, 纵旋角速度急剧增大, 这与宇航、体操中的晚“ 旋” 现象相一致。 b)通过单臂和双臂情况数值解的比较, 双臂效果比单臂好, 这与理论分析结果相 吻合。 c)匀速摆动情况下的纵旋角速度数值比匀减速摆动要提高得快。 d)手臂摆动速度的大小改变可导致纵旋角速度快慢的改变。 e)手臂摆动幅度的合理加大可使纵旋角速度相应增大。 多自由度铰的分解处理人体规范刚体模 型 具有一个自由度的五类运动副, 即转动铰 和平移铰为基本铰。其余各种铰均可化为基本铰 的某种组合. 球铰可以图1是一个用两个长度为o , 质量为o的构件所结合的三个转轴相互正交
16、的三 个转动铰所组成的运动链表示的球铰。对腾空运 动, 选择人体某个部件为与地面坐标系(惯性系) 直接相关的刚体, 例如上躯体, 这时上躯体与地面 是以虚校形式联系的, 对于这个6 自由度的铰, 同 样可以由基本铰组成的运动链来表达, 如图2 (三 个相互正交的平移和三个相互正交的转动)。 基于L-E法和铰分解法的运动数学模型 2 拉格朗日一欧拉方程为： 已知内坐标求外坐标 已知外坐标求内坐标 1、光与组织的作用 光生物作用：生物系统通过吸收光能，使生物体发生某种变化的过程。 光物理作用：生物分子吸收光子后，将上升到一个电子激发态，通过辐射及非辐射使 能量得到“弛豫”的过程。 光化学作用：处于
17、电子激发态的分子经过若干键断裂或键形成的过程而实现“弛豫”。 2、组织的光学特性分析 当光入射并透过某种介质时，由于吸收光强度通常会衰减，如果光透过某种介质时能量不 被衰减，则称这种介质对光是“透明”的。每种介质对一定光谱范围的辐射透明，介质的 这种特性称为吸收的选择性。由于吸收谱的唯一性，它们可以作为相应物质的标示谱 。 红外区（波长在600-1000mm的波段）被称为生物光治疗窗口。在该波段内，近红外线对 生物组织有良好的穿透性，以至于检测光线可以在组织内穿透过几厘米，此时，近红 外线会受到组织光学特性参数（如：吸收、散射等）的影响，因而，经组织内部调制 的再发射光（含漫透射和漫反射），含
18、有组织代谢、生理等信息，通过对它们的测量 和分析，就能得到组织相关信息。作用模式如下图： 2.3人体光学特性 在600-1300nm的近红外线波段，散射相对于吸收占主导地位，注入约有几厘米的深度。 近红外线通过组织时，光束中准直部分完全变为散射光，此时向后散射的大大增强（如图2-15） 。而垂直入射的光束，总反射主要源于背向散射，散射程度是与波长有关的组织内光学特性参数 的光束。 光在组织中传播存在散射和吸收两种。散射和吸收的多少与散射系数s和和吸收系数a 紧密相关。吸收和散射成为组织中光辐射强度衰减的的主要因素。研究表明，光吸收是组织内载 色体和外加入人体的载色过程的总和。组织中散射主要产生
19、与微观程度上折射率的不均匀性。 近红外线束 图2-15 近红组织传播示意图 近红外线 组织体 吸收 透射 前向散射 镜面反射 背向散射 水 图2-16看出，在600-900nm的范围内，水的吸收作用相对较低，但波 长大于900nm的范围，吸收迅速增高，在980nm左右形成波峰。在临床上测量中， 水可视为固定不变的吸收物质。 组织中主要吸收体分析如下： 脂肪 吸收光谱大致与水的吸收 光谱一致，因此，在组织中可看为是光的稳 定吸收体。黑色素对光有强烈的吸收特性， 尤其对紫外线有强烈的吸收光谱区。尽管其 吸收特性较为稳定，只对氧起作用，但是组 织中黑色素的存在直接影响光在皮肤表面的 反射和透射。 血
20、红蛋白 在脑组织中分两类： 含氧红蛋白和脱氧红蛋白。它们的近红外线 吸收特性见2-17. 细胞色素氧化酶 对近红外线检测的影响仅与氧化还原状态有光，检测时只需要知道氧化和脱氧状态下近红 外线的光谱特性。其吸收光谱如图2-18 其他影响因素 皮肤和表面组织、蛋白质、色素等。 正如脑电、心电以及肌电信号一样，在生命活动的过程，生命系统发出极微 弱的光，这种光发射的强弱与生物体内的某些生化反应有内在联系，同时还 与阳光照射等因素产生的诱导光有关。体表超弱光发射的主要来源是脂质氧 化的过程。影响发光强度的因素如下图所示： 2.4 人体电学特性 兴奋 性突触的作用 对于一个神经元形成的几百甚至几千个突触
21、，其中 有一类是兴奋 性突触，随着传入纤维兴奋 的数目增多，在胞体上用微电极 记录 到膜电位逐渐增大，这种兴奋 性突触引起的去极化电位称为兴奋 性突 触后电位（EPSP）。 抑制性突触的作用 抑制作用是通过一种特殊的神经元来实现 的。抑制 性神经元使其在通过突触接受传入信息后细胞膜发生超极化，产生一个抑制 性突触后电位（IPSP）。 兴奋 性和抑制性的整合 神经系统调 控作用的通路和过程十分复杂， 但是整合作用是这种复杂过 程的基础。 细胞电活动和电特性 心脏整体的节律收缩活动的基础是：心肌细胞去极化产生动作电位，通过 兴奋 -收缩偶联引起肌纤维 的机械活动，同时电兴奋 性在心肌细胞间传 播，
22、引 发心脏各部位肌细胞产生顺序的电兴奋 和节律收缩。 （1）不应期和超长期：经历 一个动作电位后，细胞膜不能立即接受新的刺 激产生的的另一个动作电位 绝对 不应期有效不应期（ARPERP）：在不应期内，无论用多大的刺激 强度，也不能诱发 另一个可传播的动作电位。但在有效不应期的后期，可产生 局部去极化反映。 相对不应期（RRP）：在有效不应期时程以后，有一时期，用比正常阈 值高的刺激可诱发 出可传播的动作电位，并随时程增大，需要刺激的强度降低 。 相对不应期之后有一段时期叫超长期（SNP），在此期间，用稍低于阈 值强度的刺激也能产生可传播的动作电位，只是动作电位的较正常为小。 （2）心脏不同部
23、位细胞动作电位 窦房结 窦房结起搏细胞的特点是能自发的去极化，即该类细 胞膜在心 脏舒张期对离子的通透性是自发变 化的，结果是膜电位逐渐升高，达到阈值 后 ，引发一个动作电位。 心房细胞 快速去极化（0相）和短暂快速复极化（1相）后，是短的平台 期（2相），它常与复极化（3相）混在一起不易区分。3相后期恢复到静息水平 速度较慢。 房室结 房室结细 胞动作电位上升缓慢且峰值较 小，时程较心房长但比 purkinje纤维 要短。 心室肌细胞 其动作电位与purkinje纤维 更为相似，其峰值较 心脏其他部 位大，但比purkinje小。时程较心房长，但较purkinje短。 （3）递质 和药物对心
24、肌细胞动作电位的作用 唾液腺电活动 把电极放在腺导管和腺表面上，记录刺激时电位的变化和 唾液流出速度，得到腺体的电位变化和分泌速度之间有平行的关系。 肾小管电活动 肾脏细胞不具有兴奋现象。用玻璃电极插到肾组织内，在 肾小管不同部位测到的电位如图2-26所示。影响因素：是否有氧、温度、有无加 入中间代谢酶的基质等。 1、生物电阻抗 表2-4列出了人体各种离体组织的电阻率和电导率。通 体组织的电阻抗还会随着测量时外加电场的频率而变化。其原因是：细胞膜在直 流电场下的电容抗接近无穷大，但在高频电场下，电容抗会变得很小。 2 、心电图和心矢量图 心电图的形成 心肌细胞极化矢量 在兴奋传递的过 程中，在
25、去极化波面等等电位面上形成了一系列 小电偶极子，每一电偶极子的电性可用一矢量表 示，称为极化矢量。当去极化波面在某一瞬间传 播到某处时，该波面上所有正在去极化的心肌细 胞的计划矢量和，称为瞬时心电矢量。由于心脏 是一个形状不规则的空腔肌肉器官，它的肌纤维 走向也不一致，因此，这种瞬时心电矢量不但随 时间而变化，而且其空间分布也是不不均匀的。 图2-27是一个例子，表示左心室的一半去极化的 瞬间，胸腔电位的分布情况。 1P波 反映在左右两心房的去极化过程。P波波形小而圆钝，历时0.08-0.11s，波幅 不超过0.25mV。 2Ta波（心房T波） 代表心房复极过程所产生的电变化。它开始于P波之后
26、，与P波 的方向相反。P-Ta间期（从P波开始到Ta波终了的时程）为0.15-0.45s；故Ta波与P-R段 、QRS波和ST段的初期重叠在一起，而且Ta波波幅很低，故通常心电图上看不出Ta波。 3QRS波群 代表左右两心室去极化过程的电位变化。典型的QRS波群，包括三个紧 密相连的电位波动：第一个向下波为Q波，以后是高而尖峭的向上的R波，最后是一个向 下的S波。但在不同导联中，这三个波不一定都出现。正常QRS波群历时约0.06-0.10s， 代表心室肌兴奋扩布所需的时间；各波波幅在不同导联中变化较大。 4T波 反映心室复极（心室肌细胞3期复极）过程中的电位变化，波幅一般为0.1- 0.8mV
27、。在R波较高的导联中T波不应低于R波的1/10。T波历时0.05-0.25s。T波的方向与 QRS波群的主波方向相同。 心电图各波形形成机理 希氏束电图：应用导管电极从静脉插入心脏，通过三尖瓣，使电极末端达到右心房 和右心室交界处的希氏束部位，可记录到希氏束电位。其包括三种电位：“A”电位，代 表心房去极化；“H”电位，代表希氏束去电位；“V”电位，代表心室去极化。其监测的 参量有： 1. P一A 间期: 从体表E C G P 波始点( 或从高位右房图始点) 至H BE 的A 波 中最早最大波动开始点, 代表右房上部至下部传导时间, 即房内传导时间, 正常25一 45 m s. 2 .A 一H
28、 间期: 自人波中最早最大波动起点至H 波起点, 代表右房下部至希氏 束的传导时间(房室结传导时间) 正常为50 一120 m s . 3 .H 波: 代表希氏束激动, 其时间为15 一2 0 m s 4 . H 一V 间期: 从H 波至V 波的始点, 代表激动在室内束支及浦氏纤维传导 时间, 正常值为3 5-40ms 心电矢量图 在一个心动周期中，心脏各部分的心电综合矢量不断改变其大 小和方向，若把整个心动周期中各瞬时综合矢量的顶端连接起来，可形成一个三维空 间心电矢量环。若再把平面矢量环分别投影在各导联轴上，即形成心电矢量环。图2- 29所示为一个心动周期的额面上的P、QRS和T矢量环。
29、神经传导速率的测量 电刺激外周神经，需要一定的潜伏期，才能在被测点记录到肌电波 ，潜伏期的大小取决于刺激点与测量点之间的距离和运动神经对动作电位的传导速度，因此，通过测 量潜伏期可以测量潜伏期可以计算某段神经的传导速度。图2-30为一个神经传导的速度示意图。 肌电图在生物医学研究中的运用 在神经内科、骨科、职业病诊断等方面有广泛的运用。 深部脑电变化 将电极放在头皮上只能记录到3-4cm深处，即新皮层内的 细胞电活动。用脑立体定位装置将电极刺入，已能观测旧皮层及古皮层的脑电。 海马脑电和新皮层脑电在不同药物或刺激作用下，波形的变化也不同。 皮层诱发电位 用各种刺激激活神经感觉传入系统，在中枢神
30、经系统亦能 探查处电位变化，在皮层相应的感觉投射区表面引出这种诱发电位，可分为反应 和后发放两部分。 脑电波的分析和医学应用 近年来广泛开展了脑电波信号分析和信息提取 的研究，这种研究以电学信号分析的原理为依据，利用计算机为工具，设计出各 种程序进行分析、处理和运算，以期待得到有价值的结果。 2.5人体机械特性 人体整体和各环节的质量、质心和转动惯量是进行人体运动生物力学研究基本 参数。其中, 转动惯量以及回转半径是进行人体动力学研究时要涉及到的重要参数, 体 育运动、航空航天、人类工效学等许多领域的研究都需要确切知道人体转动惯量参数 。 1、利用尸体研究人体的转动惯量 尸体研究是指通过尸体解
31、剖的方法, 将人体肢解后, 分别对各个环节进行转动惯量 等惯性参数的测定。其中, 悬摆法测量环节转 动惯量装置见图2-33。先对各个环节进行 样本s 和夹具h 组成的复合系统C 围绕着转 轴o 作微小摆动。应用动量矩定理、转动惯 量的迭加和平行轴定理, 可得: CT法 用医用CT机及计算机图像处理系统进行人体转动惯量等惯性参数测量。 研究方法为: 用CT 机对受试者从头至脚每隔3 cm 扫描1 次, 各横截面图象用正胶片拍出。采用计算机图像处理系统, 先用摄像 机将图象输入到计算机, 再将图像数据通过DA 转换送到彩色监视器上。在计算机上对各组织与器官以3次样条逼近方法拟合1 条光滑连 续的边
32、界线, 并填充不同的均匀灰度值。用有限元法计算各组织与器官的面积, 根据相邻截面距离计算各组织与器官的体积, 再乘以各组 织与器官的密度, 即可计算出每个断层的质量、质心及三维转动惯量。计算环节转动惯量的参考坐标系和有关公式的说明见图2。 把环节所有块均按上述方法平移, 转换到质心坐标系Cxyz 中, 即求得整个环节对质心的三维转动惯量： 用CT 法对中国成年男女各50 人进行各环节三维转动惯量的计算, 得到各环节回 转半径与环节长度的百分比值(见表4)。 1、振动对人体的影响 当各种振动与噪声综合作用人体，会严重影响人的舒适性 、治疗效果以及检测仪器的精确性。国际标准协会提出了“人体承受全身
33、振动的评价标准 指南”（ISO2631）(如图2-37）,人体对振动反应的三种不同的感觉界限：暴露极限；疲 劳-降低工作效率界限；舒适降低界限。这三个界限只是容许的震动加速度不同，而各界 限容许加速度值随频率的变化趋势完全一样。 人体各器官在低频、低振级的情况下，可以看为线性弹性系统。在很多情况下, 我 们最关心的是低频（0-30Hz或更低）振动, 从测量结果看, 也是低频响应是主要的。 2、人体振动的力学模型 根据所列的人体振动模型设计了如图2-39所示的实验分析系统。 3、人体振动模型的实验分析 图2-40 激振力信号 图2-41头部加速度响应信号 图2-42激振信号频谱 图2-43加速度
34、相应信号频谱 图2-44 传递函数频谱曲线 图2-45 相干关系曲线 此外, 还以质量60kg为的青年男性坐在同一座垫上进行了实验。分别测得人体各部位 相对台面的加速度传递率, 并进行模态分析, 得到人体前三阶主振型, 图中虚线表示平 衡位置, 前三阶模态参数列于表2-8, 由于对称, 其中主振型不区分左、右肢。 表2-8 人体部位前三阶模态参数 图2-46 人体受振实验流程图 结果分析 实验 框图如下所示 4、振动信号对生理信号的影响 对实验结果进行分析，可以得到如下结论 图2-47腿部肌电最大熵谱 由肌电、脑电和心电的信号对座椅4Hz振动信号的凝聚参数（见2-48）可以发 现（如表2）。
35、图2-48 生理信号与共振信号的凝聚参数 （a）肌电信号 （b）脑电信号 （c）心电信号 在各激振频率处，脑电、心电的方差与正常情况下的相应方差之比见表3. 各频率处脑电总功率与正常状态时脑电总功率比值见表4, 在人的垂直振动敏感区脑电总功率增加2。3 2。8 倍, 而在非敏感区增量较小。 血压的变化在各个工况不显著且无明显的规律性。 人体全身受振时, 手臂和腿部肌肉处于紧张状态, 并随着激振频率一起运动, 以 克服振动引起的位移, 平衡自身, 肌电能量消耗比正常状态高得多, 因而必然引 起人体疲劳。 人体全身受振时, 精神处于高度集中状态,因而脑电幅度增加, 而且脑电的功率 谱密度函数的峰值频率与激振加速度的频率一致。长时间受振必然造成精神 疲劳。 心电信号受振动参数影响较小, 说明心脏有较强的抗干扰能力, 不论外界振动 情况如何, 短时间内心脏的节律不受影响。 在国际标准ISO 2631 中提出的垂直振动敏感频带4 8Hz 内, 肌电、脑电的 能量在受振时有更大幅度的增加, 说明客观的生理参数的变化与人的主观感受 是一致的。进一步证明了目前沿用的ISO 2631 的合理性。 振动引起的肌电、脑电活动, 其能量集中于激振频率及整倍数频率点上, 说明 人体生理参数信号对振动输入的反应是一种非线性模型, 不具有线性系统所特 有的频率保持性。 人体受振研究结论