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        單曲膝行走步態(tài)對(duì)下肢力學(xué)、肌肉力和肌肉激活度的影響

        2021-10-13 06:25:38王硯麟王克義章梓星馬春龍莫宗駿

        王硯麟, 王克義, 章梓星, 馬春龍,2, 莫宗駿

        (1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

        目前,我國有近3 000萬肢體存在運(yùn)動(dòng)障礙的患者,且只有30%左右的人能接受到不同程度的康復(fù)訓(xùn)練,但康復(fù)效果各不相同。

        對(duì)人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究是康復(fù)醫(yī)療技術(shù)和康復(fù)設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ),目前,下肢存在運(yùn)動(dòng)障礙的人口數(shù)占比較大,且對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)研究報(bào)告也比較多:Deschamps等[1]通過動(dòng)力學(xué)鏈的方法對(duì)下肢包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的下肢運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)力矩的變化進(jìn)行研究,主要以將健康的運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)參數(shù)為例進(jìn)行研究,但并沒有考慮下肢肌肉力的變化規(guī)律。Hume等[2]建立了人體下肢縮比模型,研究了結(jié)構(gòu)負(fù)載和關(guān)節(jié)力學(xué)的預(yù)測方法,對(duì)受傷患者、術(shù)后等下肢肌肉力和力矩負(fù)載的預(yù)測具有重要實(shí)際意義。在步行過程中,速度、步長、頻率和不同坡度對(duì)下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)及肌肉力均有不同程度的影響[3-10],例如:大腿屈曲/伸展-大腿屈曲/伸展的vCRP(連續(xù)相對(duì)相位(continuous relative phase, CRP))值對(duì)人體運(yùn)動(dòng)速度很敏感,而且跑步的速度增加,下肢的協(xié)調(diào)性下降,相當(dāng)于對(duì)下肢添加了一定的約束。另外,CRP值的減小是由于人體質(zhì)心在垂直方向的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的,并非膝關(guān)節(jié)的屈曲角度[3]。Resende等[11]分析了單側(cè)腳內(nèi)旋可能造成的下肢傷害,對(duì)下肢康復(fù)和下肢矯正提供了的依據(jù),但沒有涉及下肢肌肉力的變化,無法從機(jī)理上研究下肢康復(fù)策略。Cheng等[12]分別針對(duì)健康青年、步態(tài)穩(wěn)定老年人和步態(tài)不穩(wěn)定的老年人在完成“坐到站”動(dòng)作時(shí)肌肉功率的變化進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)健康青年消耗的功率比老年人消耗的功率要大,且完成動(dòng)作時(shí)間短。Koyama等[13]研究了在光腳和穿鞋的情況下進(jìn)行向下跳躍運(yùn)動(dòng)的下肢力學(xué)特征和肌肉激活度,研究結(jié)果表明:在光腳和穿鞋2種情況下,下肢運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角度差異較小,但在人體著地時(shí),下肢肌肉激活度存在較大的差異。另外,在穿鞋的情況下向下跳躍是比較安全的。Carolina等[14]設(shè)計(jì)了一種混合神經(jīng)的假肢用來實(shí)現(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練,其中下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在OpenSim軟件環(huán)境中獲取,基于上述數(shù)據(jù)研究了假肢的控制方法。

        目前報(bào)道的文獻(xiàn)未見單曲膝行走時(shí)下肢生物力學(xué)特性的研究,當(dāng)人體下肢受傷后,所表現(xiàn)出來的保護(hù)性跛行的步態(tài)稱之為單曲膝行走步態(tài)。因此,本文將針對(duì)青年正常行走步態(tài)和單曲膝病態(tài)行走下的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和下肢肌肉力及肌肉激活度進(jìn)行分析,研究結(jié)果將為下肢康復(fù)醫(yī)療提供數(shù)據(jù),以填補(bǔ)單曲膝下肢康復(fù)數(shù)據(jù)的空白。

        1 下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型

        圖1 人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)及簡化模型Fig.1 Skeleton structure and simplified model of human lower limb

        1.1 人體下肢骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        (1)

        (2)

        根據(jù)角速度疊加原理可知,下肢骨骼運(yùn)動(dòng)絕對(duì)角速度可表示為:

        (3)

        式(3)可進(jìn)一步表達(dá)為:

        (4)

        對(duì)式(4)兩邊微分得到人體下肢骨骼運(yùn)動(dòng)絕對(duì)角加速度:

        (5)

        1.2 人體下肢骨骼動(dòng)力學(xué)分析

        圖2 下肢小腿骨骼受力Fig.2 Schematic diagram of the force on the shank

        對(duì)圖2所示的小腿骨骼受力進(jìn)行分析,下肢其他骨骼受力和小腿受力一致,因此根據(jù)牛頓歐拉方程可得到人體下肢骨骼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型:

        (6)

        且關(guān)節(jié)力約束力和力矩之間存在關(guān)系:

        (7)

        下肢骨骼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型(6)可進(jìn)一步表示為:

        (8)

        式中:τ為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩;X為下肢骨骼廣義質(zhì)量矩陣;B為Coriolis力和離心力;f、L分別表示肌肉力映射的廣義力矩陣和對(duì)應(yīng)的力臂矩陣;G為重力產(chǎn)生的廣義力矩陣。

        1.3 肌肉力力學(xué)分析

        圖3 肌肉力驅(qū)動(dòng)模型Fig.3 Muscle-driven simulations model

        1.3.1 肌肉激勵(lì)動(dòng)力學(xué)

        肌肉的激活和神經(jīng)信號(hào)的刺激之間存在一定滯后,因此,采用簡化的一階微分方程表示激活度和神經(jīng)刺激之間的關(guān)系[15]:

        (9)

        (10)

        (11)

        式中:Tact、Tdeact分別表示肌肉激活程度的上升和下降時(shí)間常數(shù),Tact減小,由于低效鈣的釋放和擴(kuò)散會(huì)使激活度增加,類似地,Tdeact減小,由于供肌漿網(wǎng)吸收的鈣離子不足會(huì)使激活度減小[16];amin表示肌肉激活程度的最小值。為了避免肌肉腱數(shù)值計(jì)算的奇異性,需要通過修正傳統(tǒng)的肌肉激活度狀態(tài)方程[16]使激活度可以光滑變化。

        1.3.2 肌肉腱力平衡方程

        肌肉腱驅(qū)動(dòng)包含主收縮元、被動(dòng)彈性元件和彈性肌腱,如圖4所示,其中被動(dòng)彈性元件的力和歸一化肌纖維長度之間的關(guān)系可以表示為:

        (12)

        圖4 肌肉腱力學(xué)簡化模型Fig.4 Simplified model of musculo-tendon contraction mechanics

        主收縮力和歸一化的肌纖維長度之間的關(guān)系表示為高斯函數(shù)的形式:

        (13)

        式中ν表示力-速度曲線變異系數(shù)。

        肌肉力fM可以表示為[17]:

        (14)

        (15)

        方程式(14)、(15)表示了肌肉力和肌腱力與肌肉纖維長度、速度和力之間的關(guān)系。

        (16)

        肌肉長度和速度與肌肉腱長度之間存在運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系:

        lMT=lT+lMcosα

        (17)

        對(duì)式(17)兩邊分別對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù),可以得到肌肉、肌腱和肌肉腱驅(qū)動(dòng)速度之間的關(guān)系:

        (18)

        1.3.3 肌肉力的優(yōu)化控制

        上面建立了下肢的肌肉骨骼模型和肌肉力學(xué)模型,但還要通過約束優(yōu)化解決冗余肌肉力的問題,對(duì)肌肉力的優(yōu)化應(yīng)用最廣泛的方法為靜態(tài)優(yōu)化。選取式(19)的靜態(tài)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):

        (19)

        式中:N為肌肉數(shù)量;ai為第i塊肌肉的激活度;n的選取要根據(jù)不同的要求進(jìn)行選擇,本文選取n=2,選取肌肉激活度平方和最小函數(shù)J作為優(yōu)化目標(biāo),可使人體運(yùn)動(dòng)感到很好的舒適性。

        圖5 CMC算法框圖Fig.5 Schematic of CMC algorithm applied to gait

        (20)

        且線性反饋控制器所計(jì)算得到的肌肉激勵(lì)為:

        u=a*+Ku(a*-a)

        (21)

        通過合理設(shè)置PD控制參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)下肢生物力學(xué)參數(shù)的最優(yōu)化和下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的運(yùn)動(dòng)學(xué)、生物力學(xué)等參數(shù)的仿真,為下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練模式提供依據(jù)。

        2 人體下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

        為了分析和比較單屈膝行走步態(tài)與正常行走步態(tài)的下肢運(yùn)動(dòng)生物特性差異及對(duì)主要肌肉的疲勞損傷的影響,需要對(duì)2種行走步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行測量(在無任何外界干擾的情況下),將測量髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合,并將擬合函數(shù)作為在OpenSim建立的3-D人體肌骨模型的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),最后通過仿真2種行走步態(tài),對(duì)下肢肌肉收縮量等問題進(jìn)行分析。

        本文以8名男性青年 (身高165±10 cm,體重60±5 kg,年齡24±1歲)作為受試對(duì)象,通過FAB采集所需的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),F(xiàn)AB系統(tǒng)的慣性傳感器結(jié)合了加速度傳感器、方位傳感器和足底力傳感器,將各部位的慣性傳感器安裝在受試者身體相應(yīng)的位置上,受試者分別按2種步態(tài)行走,F(xiàn)AB會(huì)通過實(shí)時(shí)無線步態(tài)檢測系統(tǒng)的無線步態(tài)數(shù)據(jù)接收端檢測和接收人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù),步態(tài)數(shù)據(jù)接收端會(huì)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分析軟件中,軟件就可以實(shí)時(shí)記錄人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),且采樣頻率為100 Hz。傳感器在人體上的安裝和FAB采集系統(tǒng)如圖6所示。

        圖6 傳感器安裝和FAB采集系統(tǒng)Fig.6 Installation positions of sensors and FAB collection system

        受試者行走100 s,在單曲膝行走步態(tài)行走過程中,右腿受傷屈膝行走,左腿正常,因此,只研究右腿的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性,忽略膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻和內(nèi)旋/外旋的現(xiàn)象,對(duì)記錄的下肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)以步態(tài)周期為步長取運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均值,并利用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,傅里葉級(jí)數(shù)的擬合函數(shù)表達(dá)式為:

        (22)

        式中:θ(t)為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度;t為時(shí)間;a0、ai、bi和ω均為傅里葉級(jí)數(shù)方程的系數(shù),n∈Z+的大小取決于擬合度的大小,本研究中擬合度要求不低于99.4%。

        針對(duì)2種行走步態(tài)在步態(tài)周期內(nèi)的關(guān)節(jié)角度由FAB系統(tǒng)采集記錄,通過傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行擬合,其傅里葉級(jí)數(shù)擬合函數(shù)的參數(shù)如表1所示。

        表1 傅里葉級(jí)數(shù)擬合函數(shù)的參數(shù)Table 1 The parameters of Fourier series fitted function

        由表1中參數(shù)構(gòu)成函數(shù)的擬合度均大于99.4%,F(xiàn)AB采集到的下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和傅里葉級(jí)數(shù)擬合角度的變化曲線如圖7所示,結(jié)果表明擬合函數(shù)具有很高的跟蹤性能,可以直接作為3-D人體肌骨模型關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。其中NWG為正常行走步態(tài)數(shù)據(jù),SCWG為單曲膝行走步態(tài)數(shù)據(jù)。

        圖7 下肢關(guān)節(jié)角度變化曲線Fig.7 Joint angle change curves of lower extremity

        由圖7可知:人體正常步態(tài)行走時(shí),髖關(guān)節(jié)的屈伸角變化范圍為[-21.046°,21.534°],內(nèi)收外展角變化范圍為[-6.9.5°,6.991°],內(nèi)旋外旋角變化范圍為[-10.572°,6.325°],膝關(guān)節(jié)變化角度變化范圍為[-69.27°,0.647°] ,踝關(guān)節(jié)的屈伸角度變化范圍為[-6.85°,16.05°],角度變化速度較大,且髖關(guān)節(jié)的屈伸角和膝關(guān)節(jié)角度的變化范圍很大;而在單屈膝步態(tài)行走時(shí),髖關(guān)節(jié)的屈伸角變化范圍[9.891°,45.812°],內(nèi)收外展角變化范圍為[11.935°,14.956°],內(nèi)旋外旋角變化范圍為[16.335°,20.089°],膝關(guān)節(jié)變化角度變化范圍為[-47.223°,-28.911°],踝關(guān)節(jié)的屈伸角度變化范圍為[-35.595°,-3.391°],角度變化速度較小,因此,在下肢單曲膝步態(tài)行走時(shí),關(guān)節(jié)角度變化范圍較小,變化速度較小。從變化規(guī)律來看,髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋角的變化規(guī)律和正常步態(tài)由較大差別,其他關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律和正常步態(tài)基本一致。

        3 單曲膝行走步態(tài)對(duì)下肢肌肉的影響

        根據(jù)受試者身高、體重,在OpenSim軟件中進(jìn)行SCALE人體3-D模型設(shè)置,以圖7所示的關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體下下肢運(yùn)動(dòng),對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真,圖8所示為下肢在NWG 和SCWG步態(tài)下人體3-D模型的周期運(yùn)動(dòng)模型,由圖可知:在SCWG行走時(shí),2條腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征均有變化,但受傷的右腿變化更為明顯。圖9所示為下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的變化曲線,其中實(shí)線表示正常步態(tài),點(diǎn)劃線表示單曲膝行走步態(tài)。

        圖8 NWG 和SCWG的人體3-D運(yùn)動(dòng)模型對(duì)比Fig.8 Comparison of human 3-D movement models of NWG and SCWG

        下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)力矩如圖9所示,和正常行走步態(tài)相比,按SCWG行走時(shí),下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩波動(dòng)較大,且在步態(tài)周期的48.7%~53.6%,髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)力矩、髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)力矩和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)力矩出現(xiàn)的波動(dòng)很大,波動(dòng)范圍分別為[-197, 211]N·m、[-149, 161]N·m和[-80, 75] N·m。在步態(tài)周期的0~15.9%之間,SCWG的下肢各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩明顯大于正常行走步態(tài)的驅(qū)動(dòng)力矩(髖關(guān)節(jié)屈伸力矩除外),在步態(tài)周期的78.2%~100%,SCWG的下肢膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩明顯小于正常行走步態(tài)的驅(qū)動(dòng)力矩。因此,當(dāng)人體下肢受傷后以SCWG行走時(shí),在步態(tài)周期的48.7%~53.6%和0~15.9%會(huì)產(chǎn)生明顯的不舒適感,對(duì)該類患者的康復(fù)治療和訓(xùn)練過程中需要考慮這點(diǎn)。

        圖9 下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩Fig.9 Joint torque change curves of lower extremity

        在CMC計(jì)算,參數(shù)設(shè)置為Kp=100,Kv=20和Ku=1。在行走步態(tài)周期中,下肢運(yùn)動(dòng)主要的12塊肌肉力變化如圖10所示,其中實(shí)線表示正常步態(tài),點(diǎn)劃線表示單曲膝行走步態(tài)。總的來看,SCWG行走時(shí),半膜肌、半腱肌、股二頭肌、長收肌、臀大肌、髂肌、腰肌、股四頭肌、股直肌和脛骨前肌的肌肉力明顯大于NWG下的肌肉力,而比目魚肌和脛骨后肌的肌肉力小于NWG下的肌肉力,SCWG行走的12塊肌肉的肌肉力的波動(dòng)幅度均大于NWG的肌肉力的波動(dòng)幅度,主要是由于步態(tài)的不穩(wěn)定引起的。這表明:SCWG行走時(shí),半膜肌、半腱肌、股二頭肌、長收肌、臀大肌、髂肌、腰肌、股四頭肌、股直肌和脛骨前肌均起到了主要作用,而比目魚肌和脛骨后肌起到輔助的作用。

        圖10 下肢肌肉力變化曲線Fig.10 The change curves of muscle forces of lower extremity

        和NWG相比,SCWG在步態(tài)周期后期86.1%~100%,半膜肌、半腱肌和股二頭肌的肌肉力減小大約一半,在步態(tài)后期63.8%~100%,脛骨前肌的肌肉力為NWG的2倍,在步態(tài)周期前期0~14%,長收肌、臀大肌、髂肌、腰肌和股四頭肌的肌肉力較小。

        圖11給出了下肢運(yùn)動(dòng)過程中肌肉激活度的變化情況,其中實(shí)線表示正常步態(tài),點(diǎn)劃線表示單曲膝行走步態(tài),由圖可知肌肉激活度的變化情況和肌肉力的變化趨勢基本一致,激活度的變化情況此處不再贅述。

        圖11 下肢肌肉激活度Fig.11 The change curves of muscle activation of lower extremity

        在SCWG行走時(shí),下肢關(guān)節(jié)力矩的增加和大幅度波動(dòng),會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,增加關(guān)節(jié)的損傷和肌肉的負(fù)擔(dān),肌肉活性的增強(qiáng)同樣會(huì)導(dǎo)致肌肉的疲勞損傷等問題的出現(xiàn),因此,研究結(jié)果為下肢損傷的患者康復(fù)和康復(fù)設(shè)備的研發(fā)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        4 結(jié)論

        1)在單曲膝行走步態(tài)下,下肢各關(guān)節(jié)角度的變化范圍小,特別是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的變化范圍尤為明顯。

        2)在步態(tài)周期的初期,單曲膝行走步態(tài)的下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的波動(dòng)明顯增加,并且下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩明顯大于正常行走步態(tài)下的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩(髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩除外);在步態(tài)周期的后期,膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)扭矩明顯小于正常行走步態(tài)下的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。

        3)在單曲膝行走步態(tài)下,半膜肌、半腱肌、股二頭肌、前脛骨肌、臀大肌、股四頭肌,股直肌和脛骨的肌肉力和激活度明顯增加,其波動(dòng)值和頻率也明顯增加。

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