基于肌电信号的膝关节肌肉力分布模型

论文摘要

如果想深入理解骨、关节的载荷以及病理,必须得到肌肉力,这对于骨伤科、生物力学以及物理治疗都是十分重要的。然而,在复杂的运动中得到肌肉力是非常困难的。本论文将建立基于肌电信号的膝关节肌肉力分布模型,模型包括肌肉长度-张力关系、速度-张力关系以及肌肉激活水平,模型不仅运用逆动力学模型还将使用正动力学模型,从而解决关节内肌肉力的分布问题。本研究的目的就是建立肌电驱动模型来得到运动过程中膝关节的肌肉力。因为肌肉参数个体差异很大,使用平均肌肉参数的模拟结果很可能是无效的。所以论文进行了敏感度分析得到肌肉参数对肌肉力的影响。敏感度分析的结果表明使用精确的肌肉最优长度非常重要。所以解释平均最优肌肉长度的模拟结果时需要十分慎重。为了解决上述问题,本研究使用数学优化方法将模型得到的肌肉合力矩与逆动力学的膝关节合力矩进行标定,得到最优肌肉参数。本研究测试了9名运动员的急停起跳和变向动作,得到了人体下肢运动学、动力学数据以及膝关节周围的10块肌肉的肌电。建立膝关节的肌电驱动肌肉力模型。模型使用急停起跳动作得到肌肉参数（肌肉最优长度、肌肉最大收缩速度以及电-力延迟）代入变向动作中计算膝关节力矩。研究结果表明在急停起跳动作中模拟的肌肉力矩与逆动力学得到的关节合力矩相似度很高。使用急停起跳得到肌肉最优长度、最大收缩速度和电-力延迟预测变向动作的肌肉力矩,精度仅轻微下降。本研究编制了一套图形化界面的膝关节骨骼肌肉模型软件。软件能够分析计算膝关节肌肉长度、力臂、肌肉、膝关节合力矩以及复相关系数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 选题依据
• 1.2 研究目的和内容
• 2 文献综述
• 2.1 肌肉生物力学
• 2.1.1 肌纤维的长度-张力关系
• 2.1.2 肌肉整体的长度-张力关系
• 2.1.3 速度-张力关系
• 2.1.4 长度-速度-张力关系
• 2.1.5 表面肌电与肌力的关系
• 2.2 关节肌肉力分布模型
• 2.2.1 关节肌肉力分布问题分析
• 2.2.2 简化方法
• 2.2.3 使用优化方法解决关节肌肉力分布问题
• 2.2.4 逆动力学模型
• 2.2.5 正动力学模型
• 2.2.6 基于肌电信号的双子模型
• 2.2.7 模型的验证
• 3 研究方法
• 3.1 研究路线
• 3.2 膝关节肌肉力分布模型
• 3.2.1 下肢骨骼肌肉模型
• 3.2.2 肌肉收缩模型
• 3.2.3 肌肉生理模型
• 3.3 模型假设
• 3.4 肌肉模型的验证
• 3.4.1 静态验证
• 3.4.2 动态验证
• 3.5 敏感度分析
• 3.5.1 静态肌肉收缩力的敏感度分析
• 3.5.2 动态肌肉收缩力的敏感度分析
• 3.6 实验数据采集
• 3.6.1 研究对象
• 3.6.2 实验仪器
• 3.6.3 数据采集过程
• 3.7 数据处理
• 3.7.1 数据的基本处理
• 3.7.2 肌肉的长度和收缩速度的确定方法
• 3.7.3 优化方法
• 3.7.4 相似度的评价
• 4 研究结果
• 4.1 标定过程的结果
• 4.1.1 标定动作中的肌肉合力矩与关节合力矩
• 4.1.2 通过标定过程得到的个体化肌肉生物力学参数
• 4.2 静态验证模拟结果
• 4.2.1 文献实验数据与模型模拟结果的比较
• 4.2.2 肌群内部的比例分配
• 4.3 静态验证的敏感度分析
• 4.4 动态模型模拟结果
• 4.5 动态模型的敏感度分析
• 5 分析和讨论
• 5.1 模型的有效性
• 5.2 敏感度分析
• 5.3 研究结论
• 致谢
• 参考文献
• 附件1 肌电驱动优化模型软件介绍
• 附件2 标定动作股四头肌力矩与膝关节伸膝合力矩的比较
• 附件3 验证动作股四头肌力矩与膝关节伸膝合力矩的比较
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果