基于肌电信号的膝关节肌肉力分布模型

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。

目录

中文摘要

英文摘要

目录

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

2.2关节肌肉力分布模型

3研究方法

3.1研究路线

3.2膝关节肌肉力分布模型

3.3模型假设

3.4肌肉模型的验证

3.5敏感度分析

3.6实验数据采集

3.7数据处理

4研究结果

4.1标定过程的结果

4.2静态验证模拟结果

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