下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期 下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究收稿日期:通讯联系人基金项目:安徽省教育厅自然科学研究重点项目()作者简介:牛玉荣()女黑龙江齐齐哈尔人讲师硕士 :.牛玉荣袁 妍张家玺王 勇(.安徽文达信息工程学院 智能制造学院安徽 合肥.合肥工业大学 机械工程学院安徽 合肥)摘 要:分析人体行走和跌倒时下肢肌肉的作用确定对行走稳定性有主要影响的肌肉为跌倒预测和信号采集位置提供依据 首先建立了一个人体骨骼肌模型并使用 三维红外动作捕捉分析系统和 三维测力台采集记录模拟行动不便人群的步态、向后摔倒和向前摔倒的实验数据然后运用逆运动学分析、静态优化算法通过 仿真软件计算出步行和跌倒时下肢冗
2、余肌力分配最后对数据进行分析 研究结果表明:通过仿真模型定量分析了步行和跌倒过程中下肢肌力分布量化步行以及跌倒过程中下肢各单块肌肉力量的变化规律得出采集肌电信号较为合适的位置为股外侧肌和比目鱼肌并为预测跌倒以及康复指导提供了生物力学依据为进一步揭示髋、膝、踝关节的生物力学特性和人体下肢康复机器人的设计奠定基础关键词:人体建模骨骼肌肉仿真肌力计算跌倒风险中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:在我国跌倒已成为 岁及以上老年人伤害死亡的重要原因 经调查 岁以上老年人在家居住的三分之一以上及住院患者三分之二以上每年会跌倒一次或更多并且经历过跌倒的人中超三分之二容易再次跌倒 跌倒除了会造成
3、身体创伤还会给老年人的心理带来负面影响比如产生心理障碍对未来生活恐慌、害怕活动和自我封闭等 已有研究表明在跌倒后越快速地报告跌倒情况及时救治其发病率和死亡率就越低目前跌倒检测方法最常见的是视频图像分析法和穿戴式装置检测法 视频图像分析法是以摄像机为媒介来采集图像数据通过图像处理技术分析判断人体是否跌倒此方法具有高准确率以及人工介入少的优点但摄像机需要安装在固定的地点(一般只适合在室内)被监测者只能在安装了摄像机的地点进行检测当被监测者到户外活动而离开视频摄像头可监测的范围后该系统就无法获得图像检测跌倒该技术有一定的局限性 穿戴式装置检测法主要以传感器为媒介来采集数据常见的传感器有加速度传感器、
4、压力传感器、肌电采集装置等 其中表面肌电信号是一种典型的生物电现象与神经肌肉的活动相关能实时反映关节与肢体的骨骼肌运动信息被广泛应用于临床诊断运动医学等领域 通过提取与人体运动相关的肌电信号可以有效地辨识人体跌倒姿态有较高的研究价值本研究通过人体骨骼肌生物力学模型计算步行和跌倒过程中的下肢各肌肉(群)的肌肉力量比较步行和跌倒过程中的肌肉力量与髋、膝、踝关节的关节活动度的相关性、肌力变化率以及各肌肉力量的占比为信号采集位置、预测跌倒以及进行康复指导提供依据 人体骨骼肌生物力学模型人类运动是神经、肌肉和骨骼之间复杂的相互作用因此在设计可穿戴设备改善人体步态和增强人体机能之前必须先了解这些相互作用
5、虽然人体运动学数据、肌肉活动和地面反作用力可以通过外置实验工具等非侵入工具测量但肌肉张力以及关节接触力则必须通过侵入性的方法测量而生物力学模型则可以通过仿真的方式代替侵入式方法来计算这些量 图 为肌肉力仿真计算过程图 肌肉力仿真计算过程.建模理论人体建模理论主要来源于 方程和 肌肉三元素模型 年 以青蛙的缝匠肌为试样进行了快速电刺激肌肉释放实验并利用能量原理及经验假设给出了肌肉收缩力 与收缩速度 间的关系式:()()()()式中 为当前肌力为肌肉最大等长收缩张力 为肌肉收缩速度、为常数 之后又提出一个由三个元素组成的肌肉结构力学模型即收缩元()、串联弹性元()和并联弹性元()用此反映肌肉的功能
6、如图 所示 代表可以相对滑动的肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维其张力与它们的横桥数目有关 表示肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横桥、盘以及结缔组织的固有弹性 表示肌纤维膜、肌束膜等结缔组织表示松弛状态下肌肉的力学性质图 肌肉三元素模型.模型缩放根据 系统导出的静态标定文件(.)加载到()步骤中 缩放前选用的 模型上虚拟点的命名和位置必须与静态 文件一致再通过二者的空间关系位置对每个肢体的环节长度、质量以及转动惯量进行比例缩放以符合受试者的人体生理学参数 具体计算方法为:设置一对或多对 点确定各环节的长度()再将实验所得的标志点间距离与模型上与之对应的距离()相比以获得一个缩放系数()进而按照比例对模型进行调
7、整.逆运动学计算建立拉格朗日动力学方程计算关节力矩如下:()()()()式中 为广义坐标 为广义速度 为广义加速度()为系统质量矩阵()为速度乘积项包含科里奥利力和向心力矩的向量()为重牛玉荣等 下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究力向量 为广义力向量逆向运动学()计算的主要目的在于找到与实验室运动学数据最佳匹配的模型验证模型是否最佳化 逆向运动学根据动态的实验数据以运动轨迹的基端和末端作为参考再以加权误差平方和最小进行最优姿势匹配得到关节位移和角度的运动格式文件(.)最终对整个运动进行仿真模拟 本质上逆运动学解决的是加权最小二乘问题计算公式为:()()()式中 为广义坐标为反光标记点的实验贴放位
8、置()为模型上虚拟点的位置为坐标 的采集值将其实验值设为规定的坐标 是标记点的权重是坐标的权重 为实验过程中第 个反光标记点 越大对标记点的线量和角量精度的要求就越高.残差缩减由于测量误差、加速度误差、建模误差等带来的残差力导致运动学模型输出与实测力发生冲突所以需要对这些误差进行修正残差缩减()是一个正向运动学仿真的形式它用追踪控制器来追踪逆运动学产生的模型运动学用于修正逆向运动学反解的逆运动学曲线使得模型动力学的输出符合实测最大程度地减少模型和标记数据处理错误的影响.静态优化算法肌肉力的优化计算即为在关节力矩的基础上对肌肉力的求解过程 人体运动时力量分配最优化求解通常选取肌肉疲劳程度最小或所
9、消耗的能量最小静态优化在基于最小化平方所有肌肉力量的总和的基础上进行肌力分配本研究选取以肌肉应力平方和最小化来度量肌肉疲劳:()式中为第 个关节的关节力矩函数为第 块肌肉的肌肉力为参与第 个关节的肌肉数目其中 在计算最优解时还要考虑约束的处理:()式中 为第 个关节的关节力矩为参与第 个关节运动的第 根肌肉的力臂 肌肉优化问题可以看作有条件的多元函数求极值问题 引入未知量 将公式()和公式()联立可得:()()对上式各肌肉力求偏导得()令 即约束方程 在肌肉力()处取极值可得()将()式代入()式可得:()将()式代入()式可得各肌肉力:()方案设计.原始数据处理利用 台 三维红外动作捕捉与分
10、析系统和 块 三维测力台采集实验数据实验前对实验室场地环境进行检查将反光点遮蔽或清除固定采集环境后受试者全身贴满反光 球如图 所示图 受试者贴片位置图 利用 软件对反光 球的运动轨迹进行剪切、补点处理导出包含完整动作轨迹与地面反作用力数据的 文件 通过 软件中的.程序将 文件转换成 所需的.和.格式文件并对.和.格式文件分别进行四阶 低通滤波截止频率分别为 和 .人体下肢肌肉选择步行时的突然跌倒表现为下肢髋、膝、踝三个关节因疼痛或供血不足发生猝不及防的瞬间无法支撑体重、屈曲软弱的情况 其中踝关节的背屈、膝关节的屈曲、髋关节的伸展运动对滑移后的人体平衡作用贡献显著步行的动力主要来源于下肢及躯干的
11、肌肉作蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)用在一个步行周期中肌肉活动具有保持平衡、吸收震荡、加速、减速和推动肢体运动的功能 本文研究的是前摔和后摔跌倒实验以及髋、膝、踝关节的屈伸变化 下肢主要肌肉位置根据人体解剖学选取控制髋、膝、踝关节屈伸运动的表层肌肉(群)进行分析(只有浅层肌肉的表面肌电信号可以采集)选择股二头肌、半腱肌、股内侧肌、股外侧肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌、比目鱼肌等 块与人体行走有密切关系的肌肉.数据分析肌电信号能够反映骨骼肌的激活程度也与肌肉作用力的大小密切相关 分析步行和跌倒状态的肌肉力量与关节活动度的相关性、肌力变化率以及各肌肉力量的大小为肌电信号采集位置提供
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