基于肌电信号的肘关节生物力学建模研究
【摘要】 病理性震颤指由于染色体遗传或小脑疾病等造成患者在执行精巧动作时发生震颤。目前，病理性震颤的主要治疗手段为药物治疗和手术治疗，但是药物治疗疗效较差，手术治疗风险较大，并且往往会给患者带来副作用。此外，许多学者提出了采用便携式抑震机器人进行治疗的手段。但是，便携式抑震机器人质量较大，在患者执行正常动作时会提供较大的阻力。因此，基于功能性电刺激疗法的治疗手段目前成为各国相关工程技术人员研究的热点。本文以肘关节为研究对象，建立肘关节的生物力学模型，从而为采用功能性电刺激疗法的进一步研究奠定理论基础。为了研究肘关节运动过程中相关肌肉的特性，搭建了针对肘关节的运动信息采集系统。该系统采集肘关节运动过程中的角度信息和主要肌肉的肌电信号。其中，肌电信号传感器采用肌电信号采集仪，角度传感器采用光电码盘；微处理器采用STM32F407DISCOVERY开发板，以对传感器采集的信息进行数据处理；在上位机利用LABVIEW编程，进行数据接收、处理和存储。在生物力学建模的过程中，首先建立了以肌肉的肌电信号为输入、肘关节的关节角度轨迹为输出的生物力学模型。在肘关节运动过程中，通过采集相关肌肉的肌电信号获得神经系统对运动神经元的刺激输入，通过肌肉活化度模型来获得肌肉的活化程度，通过肌肉力模型来计算各个肌肉的输出力，通过肘关节运动学最终计算出肘关节运动过程中角度的轨迹。其次，建立了以关节角度轨迹为输入、肌肉的肌电信号为输出的肘关节生物力学模型。在该模型中，分别建立了内驱力模型、高尔基腱的反馈模型和肌梭的反馈模型。另外，分析了高尔基腱的反馈模型频率响应特性，并通过推导揭示出了肌梭反馈模型的本质特性。在实验和仿真环节，利用OPENSIM对关节动力学的主要计算公式以及肌肉力模型进行了优化和验证；同时，利用鲍威尔搜索法对所建模型的主要未知参数进行了优化，并利用一个单自由度实验平台进行了实验，对所建立的模型进行了验证。通过本课题，最终建立了以关节角度信号为输入、相关肌肉的肌电信号为输出的ETA肘关节生物力学模型，从而为采用功能性电刺激疗法治疗病理性震颤奠定理论基础。
第 1 章 绪 论
目前，病理性震颤的主要治疗方式为药物治疗和手术治疗，而药物治疗往往会产生副作用，并且多数情况下不能有效抑制患者病情的发展；手术治疗一般采用脑深部电刺激疗法，需要将电极植入到丘脑底核，手术的难度和风险较大。此外，许多国内外学者提出了采用便携式抑震机器人抑震，但是机器人质量往往较大，会在一定程度上阻碍患者的正常运动。为此，构想采用电刺激的方式来治疗具有病理性震颤的患者，其基本思想是，采集患者的关节角度信息，并对采集到的数据进行分析和处理，将不自主震颤信号从意向运动信号中分离出来，并通过电刺激的方式刺激肌肉，使得患者能够正常运动。采用这种方法的优点是，可以有效恢复患者的正常运动功能，保持肌肉和神经元的活性，提高免疫力。在研究采用功能性电刺激疗法进行病理性震颤抑制的过程中，关节生物力学特性的研究至关重要，尤其是以关节的位置信息为输入、相关肌肉的肌电信号为输出的关节生物力学建模(Angles-to-EMG，ATE)。具体在治疗过程中，首先对采集到的关节角度信息进行分离，分离出不自主震颤角度信息，进而利用该模型，，便可计算出刺激信号的波形和强度，从而通过功能性电刺激疗法，便可有效地抑制患者的病理性震颤。在研究过程中，首先需要建立以肌肉的肌电信号为输入、关节角度为输出的关节生物力学模型(EMG-to-Angles，ETA)，该模型ATE模型的重要组成部分。通过建立ATE模型和ETA模型，可以更深入地了解关节运动过程中的生物机理，从而为治疗提供参考。同时，在仿生领域和体育学领域中，该模型亦可作为理论指导。
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第 2 章 肌电信号-肘关节角度轨迹生物力学建模
2.1 引言
人体运动过程中，神经系统通过电流刺激运动神经元使得肌肉兴奋，进而收缩和舒张，产生肌肉力，带动骨骼使得其绕关节运动。在肘关节运动过程中，通过采集相关肌肉的肌电信号获得神经系统对运动神经元的刺激输入，通过肌肉活化度模型来获得肌肉的活化程度，通过肌肉力模型来计算各个肌肉的输出力，通过肘关节动力学最终计算出肘关节运动过程中角度的轨迹。肘关节运动过程中的机理如图 2-1 所示。肌电信号-肘关节角度(EMG-to-Angles，ETA)生物力学建模将建立以肘关节附属肌肉的肌电信号为输入、肘关节的关节角度为输出的关节生物力学模型，该模型包括肌肉活化度模型、肌肉力模型和关节动力学。建立 ETA 肘关节生物力学的目的是为后续 ATE 模型的建立奠定基础，因为在 ATE 肘关节生物力学模型的建立中，需要计算肌肉力和肌肉长度，而直接的肌肉力模型和肌肉长度计算模型很难通过实验来进行验证，并且很难辨识模型中的未知参数，而通过建立完整的 ETA 模型，并进行参数辨识和实验验证，便可间接地对肌肉力模型和肌肉长度模型的参数进行辨识，并能验证模型的正确性。
2.2 肌肉活化度模型
骨骼肌由肌腹和肌腱组成，如图 2-5(a)所示。肌腹位于肌的中部，由肌纤维构成，具有收缩和舒张的功能；肌腱位于肌的两端，由致密结缔组织组成，非常坚韧，无收缩能力，但能抵抗较大的张力。人体大约有 600 多块骨骼肌，一般情况下，如图 2-5(a)所示，骨骼肌两端通过肌腱与骨头相连，中间的肌腹附着在骨骼上。骨骼肌的肌腹是由一系列平行排列的骨骼肌纤维组成，并被结缔组织所包裹，如图 2-5(b)所示。由于肌纤维相互平行排列，并具有相似的性质，因而在后续的研究过程中，将这个肌腹等效为沿其中心位置的一条肌纤维。
第 3 章 肘关节角度轨迹-肌电信号生物力学建模 ........................ 19
3.1 引言 ............................... 19
3.2 中枢神经系统对运动神经元的刺激模型 ........................... 20
第 4 章 肌电信号采集系统的硬件平台设计 ............................ 31
4.1 引言 ....................... 31
4.2 传感器的选择 ............................. 32
第 5 章 肘关节生物力学模型的实验验证 .............................. 42
5.1 引言 .............. 42
5.2 基于 Opensim 模型的关节动力学模型的仿真和优化 ................. 42
第 5 章 肘关节生物力学模型的实验验证
5.1 引言
第三章和第四章详细介绍了 ETA 和 ATE 肘关节生物力学模型的建立，本章将利用 Opensim 对建立的关节动力学模型进行仿真和验证；其次，利用一个单自由度实验平台对模型中的一些未知系数进行实验求解，最终对所建的模型进行实验验证。
5.2 基于 Opensim 模型的关节动力学模型的仿真和优化
Opensim 是一款专门用于建立动物肌肉力学模型的仿真软件，利用该软件可以创建动物的骨骼、关节和肌肉，并创建控制器，从而对动物的行为过程进行模拟。Opensim 使用 C++或 MATLAB 程序进行模型的建立，利用 Opensim GUI对模型以及模型运动的过程进行显示。在以下建立模型的过程中，使用 VS2010作为开发工具，建立肘关节的物理模型。由于在第三章和第四章中已建的大多数模型是利用相关学者的实验研究或在其研究基础上经过推导获得，模型已经过验证，并在一定程序上已达到最优，所以不在进行仿真和优化。而在肘关节动力学建模的过程中，肌肉长度和肌肉力臂的计算公式需要通过仿真进行验证，并且屈肌力臂的计算公式(2-33)和(2-35)相对复杂，需要进行仿真优化。
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结 论
本课题是基于利用功能性电刺激疗法治疗病理性震颤这一构想，初步研究了肘关节生物力学模型的建立，具体包括以肌肉肌电信号为输入、肘关节角度轨迹为输出的ETA肘关节生物力学模型和以肘关节角度轨迹为输入、肌肉肌电信号为输出的ATE肘关节生物力学模型。通过初步建立肘关节生物力学模型，为后续抑震策略的制定奠定理论基础。在本课题中，为了验证肘关节生物力学模型，搭建了单自由度实验平台，用于采集相关肌电信号和角度信息；在模型参数辨识的过程中，引入了鲍威尔搜索法，并利用OPENSIM仿真软件对肘关节动力学模型进行了验证和优化。具体研究成果如下：（1）建立了以肌肉肌电信号为输入、肘关节角度轨迹为输出的ETA肘关节生物力学模型，该模型中包括肌肉活化度模型、肌肉力模型和关节动力学模型。在传统的关节动力学模型中，模型输出为关节力矩，而在本课题中所建立的模型其输出为关节角度轨迹，从而使得输出更加直观，更容易通过相关传感器测量获得，为后续ATE肘关节生物力学模型的建立奠定了基础。
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本文编号：14684
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