人体下肢肌肉协同的仿真与实验研究

发布时间：2020-07-18 04:13

【摘要】：肌肉协同被认为是中枢神经系统用以运动控制的最小单位,在理解神经系统运动控制策略方面具有重要的研究价值。传统的肌肉协同研究方法依赖于反映肌肉激活程度的肌电信号,骨肌仿真技术的发展为便捷分析肌肉激活提供了新的方式,本文在骨肌系统中实现肌肉协同的提取。首先在OpenSim中建立人体下肢骨肌仿真模型,并建立基于Hill肌肉模型的骨肌系统。然后构建人体运动测量与仿真分析系统,实现人体运动实验数据的采集与处理,以及骨肌系统生物力学分析。本文兼顾生物力学仿真与真实的实验数据,以关节力矩实验值和特定肌肉激活度实验值作为跟踪目标,提出两种肌肉协同提取算法:(1)基于非负矩阵分解的肌肉协同提取算法,首先最优化求解肌肉激活度矩阵,再应用非负矩阵分解求解肌肉协同结构矩阵和肌肉协同激活系数矩阵,由此重构肌肉激活度矩阵实现肌肉协同的控制过程;(2)引入肌肉协同控制的肌肉激活模型,将最优化求解肌肉激活度矩阵转化为最优化求解肌肉协同结构矩阵和肌肉协同激活系数矩阵,在最优化迭代过程中实现肌肉协同对于肌肉激活的控制过程。为比较两种肌肉协同提取算法的效果,招募实验对象进行了步态实验,应用两种算法提取肌肉协同,结果表明引入协同控制的肌肉激活模型算法优于基于非负矩阵分解的肌肉协同提取算法,其中关节力矩和肌肉激活度的均方根误差分别平均降低62.0%、33.2%,平均绝对误差分别平均降低63.2%、36.9%,关节力矩和肌肉激活度的预测值与实验值的相关系数分别平均提升9.0%、10.1%。应用基于非负矩阵分解的肌肉协同提取算法,基于重构肌肉激活度矩阵的数据变异度阈值确定肌肉协同数目后,然后应用引入肌肉协同控制的肌肉激活模型可降低误差。最后进行人体足底打滑平衡的肌肉协同控制策略研究,招募实验对象进行步态实验,以正常行走作为对照组,分析足底打滑平衡对于肌肉协同的影响,结果表明,与正常行走相比,在足底打滑平衡中肌肉协同以较高肌肉贡献度、较高激活强度及较高共激活时长占比的控制策略实现这一应急反应运动过程。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：G804.6
【图文】：

肌肉,力学,虚拟人,仿真分析

Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ邋等应用刚柔耦合动力学的方法进行骨肌系统建模，其骨肌系统逡逑动力学模型应用拉格朗日动力学方程，肌肉力模型应用经典的Ｈｉｌｌ模型，其研究逡逑成果后来发展成为商业化的骨肌系统仿真软件ＡｎｙＢｏｄｙ＾，如图１．２所示。王成逡逑焘等利用中国数字人数据集建立了骨肌系统仿真摸型，并开发了一套中国力学虚逡逑拟人骨肌系统仿真分析软件｜７，３３］，如图１．３所示。此外，ＬｉｆｅＭＯＤ邋（ＭＳＣ邋Ｓｏｆｔｗａｒｅ逡逑Ｃｏｒｐ．，ＮｅｗｐｏｒｔＢｅａｃｈ，邋ＣＡ，ＵＳＡ）和ＭＳＭＳ［３４］等软件也可用于生物力学仿真，由逡逑于这些软件不能提供完整的源代码，对于研究者而言在此基础上扩展功能进行更逡逑深层次的研究比较困难。逡逑■Ｍ邋．邋Ｉｋ邋＊＜Ｖ＊逦＊ＩＭ逦｜逡逑＊邋ｉ邋＇邋Ｕ逦ｈ邋，逦—邋－邋Ｕｍ４邋Ｉｍａ＾逦．逡逑？：，．厂逡逑？邋？邋Ｊｔ邋ｔ－ｗＴ逦、＞邋，．邋？？Ｍ邋＞＊■邋＊逦ｗ邋４邋ｍ逡逑Ｍ逦ｆｒ：逦ｎｓＫｒｒ＇ｗ－．＊逦＇逦＊邋一邋‘邋＂逦’邋一逦…＂邋—邋：ｉ

肌肉,概念模型

大学硕士学位论文逦１肌肉协同理论，神经并不单独控制某一块肌肉，而是在脊髓层上募集多个成肌肉协同，处于同一肌肉协同中的肌肉被同时激活［５，４６１。由于神经系统是难以测得的，而骨肌系统的行为是可测的，由骨肌系统行为可表征神经为，肌肉协同理论提供了由骨肌系统的行为解释神经系统控制的思想。神对于骨肌系统的下行指令即表现在肌肉协同上，通过脊髓回路或反射反映激活上，从而在骨肌系统中形成了力的作用，带动骨肌系统运动，产生特作，肌肉协同概念模型如图〗．４所示［４６］。与单独控制每块肌肉相比，使用制信号激活多块肌肉理论上提供了一个简化的系统。部分实验研究结果支一理论，研究表明在执行运动任务时的肌肉激活可以用反映肌肉协同的低来描述｜５￣４７４９］。逡逑

曲线,仿真建模方法,中间点,直线路径

设置中间点的折线路径法［７８＿７９］及设置障碍物的曲线路径法［８Ｑ］。直线路径法采用逡逑一条从起始点到结束点的直线线段表示肌肉，是肌肉运动学建模最简单的方式，逡逑这种方式能够很容易地描述路径筒单的肌肉，如图２．１（ａ）所示，然而当一块肌肉逡逑的路径在其他肌肉上、包覆在骨突上或者被韧带所影响时，这种方式就失效了。逡逑设置中间点的折线路径法通过引入中间点，解决了从起始点到结束点的直线与实逡逑际的偏离问题，中间点约束了肌肉在被生理结构影响时的肌肉路径，如图２．１（ｂ）逡逑所示，当肌肉模型在起始点和结束点之间有一个中间点，那么肌肉的路径由两部逡逑分构成，肌肉的长度为这两段直线线段长度之和，中间点可设置为多个。设置障逡逑碍物的曲线路径法引入包覆表面的概念，平滑地偏转直接接触包覆表面的肌肉路逡逑径，如图２．１（ｃ）所示，肌肉的总长度等于肌肉路径直线段长度与肌肉路径曲线段逡逑长度之和。逡逑１邋ｊｉ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图２．１肌肉仿真建模方法（ａ）直线路径法（ｂ）设置中间点的折线路径法（ｃ）设置障碍逡逑物的曲线路径法逡逑本研究解决人体下肢的生物力学问题

【相似文献】