成人手膝爬行的肌肉协同分析

发布时间：2018-02-15 06:19

本文关键词： 手膝爬行肌肉协同分析表面肌电信号肢体间协同肢体内协同两级CPG模型　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：肌肉协同理论作为解释中枢神经系统(CentralNervous System,CNS)如何正确控制人体众多骨骼肌运动并彼此配合以完成各种动作的一种假设,合理的解决了人体运动自由度(DegreeofFreedom,DOF)的问题。在该理论中,肌肉协同被认为是中枢神经系统中的最小受控单元。不同肌肉协同完成不同的任务,并且轮流被募集以完成既定任务。肌肉协同分析方法已被广泛应用于神经肌肉控制机制以及神经系统相关疾病的研究中。爬行是人类直立行走前的主要运动方式,对婴幼儿的发育起着至关重要的作用。对爬行运动的研究可帮助理解中枢神经系统的爬行控制机制,对临床上评估婴幼儿的发育状态和神经肌肉系统疾病患者的运动障碍程度都有重要的应用价值。爬行作为一种全身性运动,涉及几乎所有的躯干和四肢肌肉。目前针对爬行运动的研究多集中于肢体间的协调模式,对于肢体内肌肉的协同很少涉及。肌肉协同分析方法能够探索爬行过程中肢体内以及肢体间的协同模式,在探索爬行潜在神经肌肉控制机制上具有很大潜力。作为初步探索,本论文将肌肉协同分析方法应用于成年人的手膝爬行运动研究,为后期探索儿童以及脑瘫爬行模式的异常奠定基础。开展的主要工作和取得的研究成果如下:(1)提出了一种基于肌肉协同分析的手膝爬行运动研究方案,包括爬行数据捕获、爬行肌电信号的预处理、肌肉协同提取以及协同分析方法。考虑到肌肉的分布、大小以及深浅程度,从每侧肢体选取16块(上下肢各8块)与爬行运动最为相关的肌肉作为目标肌肉,采集爬行过程中全身共32块肌肉的表面肌电信号,采用非负矩阵分解算法提取肌肉协同,并提出了基于肌肉协同的肢体相位差计算方法以及从激活程度、激活时刻、激活相位三方面衡量协同募集模式变化的指标。(2)开展了手膝爬行过程中肢体内和肢体间肌肉协同分析。在肢体内肌肉协同分析中发现,在每个肢体中都能提取出两个肌肉协同,一个对应支撑相,另一个对应摆动相。连续爬行过程中,这两个肌肉协同被交替募集。同时,所有受试者的肌肉协同结构具有一定的相似性。在肢体间肌肉协同分析中发现,左右侧对应肌肉协同的募集存在半个周期的相位差;受试者之间的上肢肌肉协同募集模式大致相同,下肢肌肉协同的募集模式与爬行模式有关,同侧肢体配对式、对侧肢体配对式都存在组内相似性,混合肢体配对式受试者的肌肉协同募集存在较大个体差异;利用上下肢体支撑相对应肌肉协同的募集相位差可有效实现肢体间协同模式的分类。(3)开展了不同爬行条件下的肌肉协同分析。根据对不同速度和坡度下的爬行肌肉协同分析,发现速度的改变会影响爬行模式,低速下采用混合式肢体配对的受试者在高速下倾向于采用同侧肢体配对或对侧肢体配对爬行模式。然而,速度的改变基本不影响协同结构,但会影响肌肉协同的募集程度、募集时间以及募集相位。此外,坡度的变化不改变爬行模式,但对协同的结构以及募集程度产生一定影响。本研究开展的成人手膝爬行肌肉协同分析研究,对理解中枢神经系统的潜在爬行控制机制具有重要的意义,为两级中枢模式产生器(Central Pattern Generator,CPG)模型提供了一定的理论依据。在两级CPG模型假设下,肌肉协同的结构可视为由模式形成器产生,肌肉协同的募集则可看作是节律产生器的输出。各肢体节律产生器交替募集支撑相肌肉协同与摆动相肌肉协同实现对单肢体运动的控制,而四肢的彼此合作实现了爬行运动。对爬行速度和角度的适应则由中枢神经系统调节各肢体模式形成器和节律产生器完成。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318

【参考文献】