外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 论著基金项目：载人航天工程航天医学实验领域项目（）、中央高校基本科研业务费专项资金（）资助作者单位：西北工业大学生命学院（西安）空间生物实验模拟技术国防重点学科实验室（西安）通信作者：杨鹏飞。：外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析王凡杰，梁雯琦，赵文瑞，樊澳，侯宏杰，杨鹏飞，摘 要 目的 以减小步行时的膝关节合力为目标，基于受试者在正常步行状态下的膝关节合力和膝关节力矩，计算解析减少不同程度的膝关节合力所需的辅助力矩，并研究多种步速下辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律。方法 通过三维光学动作捕捉系统及测力台采集人体在慢速步速、正常步速以及快速步速下的运动学和动力学数据。基于 生物力学计算平台计算下肢关键肌群肌力、膝关节合力及膝关节力矩，然后将膝关节合力按照减少、的目标进行等比缩减，在 中采用全局优化算法计算得到辅助力矩，最后分析辅助力矩对下肢关键肌群的影响规律。结果 辅助力矩随膝关节合力减少的程度而增加，并且不同步速下辅助力矩的平均相关系数为 ，最高相关系数为 。施加辅助力矩后，腘绳肌、股四头肌、腓肠肌的肌力分别在支撑相初期、支撑相中期、支撑相末期和预摆期减少的平均比例最大，并且在慢速步速下上述三个肌群肌力减少的平均比例最大，其值分别为、和。结论 膝关节辅助力矩主要通过减弱下肢关键肌群的肌力来减少膝关节合力。本研究的结果提示不同步速下对膝关节施加特定幅度和变化趋势的辅助力矩，能够达到防止膝关节过载损伤等目的，可为主动机械外骨骼等辅助设备的驱动策略提供数据参考。关键词 步行；膝关节合力；肌力；辅助力矩；外骨骼：中图分类号 文献标志码 文章编号（）本文著录格式 王凡杰，梁雯琦，赵文瑞，等 外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析 北京生物医学工程，（）：，（）：，；，：（：）【】，【】；引言长时或瞬时力学过载是导致承重关节损伤的重要因素之一。以膝关节为例，正常人行走时膝关节承受约 倍于体质量的力学载荷，下楼梯时承力达体质量的 倍。适度的载荷对维持骨关节正常结构和功能都十分必要，但异常载荷则会增加骨关节损伤的风险，导致骨关节炎等临床症状。因此，如何在多运动场景下减少步态中的肌肉活动进而减轻承重关节的力学载荷，并进行针对性的损伤防护具有重要的临床意义。主动和被动外骨骼等辅助设备已经开始用于损伤防护和康复训练，利用外骨骼等辅助设备减小承重关节的力学载荷已成为当前研究的前沿方向。在外骨骼的辅助下，膝关节伸肌肌群的激活度以及产生的力矩明显减少。等通过研究膝关节外骨骼辅助力矩对股胫接触力的影响发现，在外骨骼辅助作用下膝关节力矩减少了，且膝关节伸肌肌群的活动度减少了约，进而其肌力减少了，导致平均股胫接触力减少了，表明了外骨骼辅助在减少膝关节载荷中的重要作用。但上述部分研究只在支撑相前期施加固定的辅助力矩，并未根据人体的关节力矩进行辅助力矩优化，且未明确指出不同的辅助力矩与肌力之间的关系。针对外骨骼控制策略的研究表明，当外骨骼提供辅助力矩时，使用者会调节其肌肉激活模式以保持肌肉对关节的力矩和辅助力矩的总和在步态周期内保持不变，故而外骨骼的控制器通常基于使用者关节力矩来定义辅助力矩，以保证辅助力矩在方向和振幅上与肌肉的机械作用一致。目前外骨骼等辅助设备需要产生何种辅助力矩，辅助力矩如何影响肌群活动进而减小关节力学载荷的过程和规律仍是研究的重点。为此，本研究以减小步行时的膝关节合力为目标，基于受试者的膝关节合力和膝关节力矩求解辅助力矩，研究了多种步速下施加不同辅助力矩后对下肢关键肌群肌力的影响，为外骨骼等辅助设备减小膝关节载荷的控制策略研究提供了模拟数据。研究对象与方法 研究对象本研究招募 名男性受试者作为研究对象，年龄（）岁，体质量（），身高（），受试者身体健康状况良好，无肌肉骨骼损伤且无影响步态的疾病，并在试验开始前受试者自愿填写书面知情同意书。试验方法试验采用三维 光 学 动 作 捕 捉 系 统（，公司，英国）采集运动学数据，采样率为 ；动力学数据采用三维测力台（，公司，美国）测量，采样率为 。反光标记点固定位置如图 所示。北京生物医学工程 第 卷图 标记点示意图 受试者以“”姿态静止站立在测力台上，检验标记点是否可以全部被识别且无遮挡，采集静态数据并确定反光标记点名称及位置。运动数据采集过程中，受试者分别以自选舒适的速度、自选较快的速度以及自选较慢的速度步行通过测力台，在这 种步速下各采集 组数据，并在数据预处理阶段对步速进行定义：首先求出受试者在自选舒适速度下所采数据的步速平均值，将该均值之内的步速定义为该受试者的正常步速，高于该均值 的步速定义为快速步速，低于该均值 的步速定义为慢速步速，按照对步速的定义从实验采集的 种步速下的数据分别筛选出符合要求的数据各 组。基于 的下肢关键肌群肌力、膝关节合力和力矩的计算 包含众多的肌肉骨骼计算模型，能够实现神经肌肉骨骼系统的精确模拟，可用于模拟肌肉骨 骼 动 力 学 和 神 经 肌 肉 控 制，研 究 人 体 运动。将三维光学动作捕捉系统以及测力台采集的数据导入 人体仿真建模及生物力学分析系统（，斯坦福大学，美国），选择 模型进行缩放，使模型与受试者相匹配，缩放好的模型可进行逆向运动学和逆向动力学计算，利用肌肉控制计算方法和静态优化算法计算得到下肢关键肌群肌力、膝关节合力和膝关节力矩。其中肌肉肌力的计算公式为：（）（）（）式中：为肌肉肌力；为肌肉肌腱在激活转态下所能达到的最大等轴力；（）为肌肉的收缩力长度因子；为归一化之后的肌纤维长度；（）为肌肉的收缩力速度因子；为归一化之后的肌纤维收缩速度；为肌肉的激活度；为由于拉伸而产生的肌肉被动力，其与标准化肌肉纤维长度有关；为肌肉的羽状角。中计算膝关节合力时将下肢简化为刚体模型（图），其中：股骨、胫骨 以及脚踝，为地面反作用力，为求得膝关节合力，对膝关节处力学平衡进行计算：（）式中：为膝关节合力；为胫骨运动产生的加速度惯性力；为踝关节处距骨与胫骨的作用力；为肌肉收缩力产生的对胫骨的作用力；为重力。为人体下肢肌肉骨骼模型；为人体下肢刚体模型；为胫骨受力图。图 人体下肢刚体模型及受力分析图 膝关节外加辅助力矩的确定本研究拟通过外骨骼对关节施加辅助力矩以减小关节力学载荷，同时研究辅助力矩对下肢关键肌群活动的影响规律。因此试验设计中首先将膝关节合力按等比缩减的方法分别减少、，得到了预期的膝关节合力，并假设运动学数据不变且计算模型只改变对膝关节弯曲 伸展相关的肌肉激活度，而对其他肌肉无影响。根据等比缩减得到的膝关节合力，在（，美国）计算平台上依次求解，采用其全局优化工具箱中的全局搜索算法，将 求得的步行中的膝关节合力、力矩、肌肉肌力和肌肉激活度等数据作为输入，多次调用 函数，以原有第 期 王凡杰，等：外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析的肌肉激活度为起点，求解新的肌肉激活度，在此基础上基于式（）得到减少膝关节合力后的肌肉肌力，进而计算得到肌肉对关节的转动力矩，为了保持膝关节净转动力矩不变，本研究将 与 先后求得的肌肉对关节转动力矩的差值作为辅助力矩，并分析了施加辅助力矩前后膝关节关键屈伸肌肌力的变化规律。辅助力矩计算流程见图。图 辅助力矩计算流程图 数据处理及统计分析辅助力矩根据受试者体质量进行归一化处理，结果表示为辅助力矩与体质量的比值。为了研究辅助力矩对肌群肌力的影响，施加辅助力矩前后的肌群肌力比值用于表示肌群肌力的变化程度。用相关系数来评估不同步速下辅助力矩的相似度，将 种步速下减少相同膝关节合力得到的辅助力矩平均值两两计算得到相关系数，相关系数的绝对值越接近 说明曲线相似，越接近 表示完全不相关。结果与分析 辅助力矩不同步速下的辅助力矩如图 所示，辅助力矩随膝关节合力的减少而增加，其在支撑相前期先减小后快速增加，在支撑相中期保持稳定，而在支撑相末期先迅速上升后急速下降。通过对比正常步速 个目标下的辅助力矩发现，辅助力矩的最大值依次递增，其结果分别为 、。慢速与快速步行时，辅助力矩曲线轮廓与正常步速下的轮廓接近。由于辅助力矩代替了部分肌肉功能对膝关节施加伸屈力、分别为以膝关节合力减少、为目标求得的 种步速下的辅助力矩。图 不同速度下的辅助力矩 北京生物医学工程 第 卷矩，使下肢关键肌群肌力减小，辅助力矩越大，下肢关键肌群肌力减少的程度越高，膝关节合力减少的比例越高。不同步速下辅助力矩的平均相关系数为 ，最高相关系数为 ，表明为减少同等程度膝关节合力而施加的辅助力矩并不会因步速而产生较大的差异。辅助力矩作用时不同步速下的肌肉肌力变化辅助力矩作用时，腘绳肌、股四头肌、腓肠肌的肌力分别在支撑相初期、支撑相中期、支撑相末期和预摆期减小的比例最高；肌群肌力减少的比例随辅助力矩的增加而增加，且肌力变化最大的时间段正是该肌群在无辅助状态下肌力显著增大的时期（图）。个肌群在不同步速下肌力减小比例的平均值统计结果（表、表 和表）表明：在辅助力矩作用下，慢速步速下腘绳肌、股四头肌和腓肠肌的肌力减少 的 平 均 比 例 最 大，其 值 分 别 为、和。讨论本研究基于正常步行中的膝关节合力和力矩，计算获得辅助力矩，研究了多种步速下辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律。结果表明，随着辅助力矩的增加，下肢关键肌群肌力减少的比例与支撑相内对肌力影响的时长均大幅度增加；辅助力矩图 不同步速下的肌肉变化 第 期 王凡杰，等：外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析表 施加辅助力矩后腘绳肌在支撑相前 肌力减少比例的平均值 目标减少值 慢速正常快速 表 施加辅助力矩后股四头肌在支撑相 肌力减少比例的平均值 目标减少值 慢速正常快速 注：为。表 施加辅助力矩后腓肠肌在支撑相 肌力减少比例的平均值 目标减少值 慢速正常快速 注：为。的作用时，腘绳肌、股四头肌和腓肠肌的肌力在慢速步速下减少的比例最高，表明慢速步速下的辅助效果最好。此外，辅助力矩在支撑相内的变化趋势不随步行速度而改变，提示在不同步速下，可以使用相同的辅助力矩来驱动外骨骼等辅助设备，为外骨骼等辅助设备的控制策略提供了数据参考。在负重快速步行时，由于需要更大的肌力来平衡地面反作用力，膝关节合力也会因此而增加。等通过构建包含膝关节外骨骼的虚拟人机系统，研究了不同的辅助策略对受试者关节接触力的影响，发现施加不同辅助力矩之后，膝关节处股骨和胫骨的接触力在支撑相几乎没有变化，这也从侧面证明外骨骼等辅助设备施加的辅助力矩主要对肌群活动产生影响。由于下肢关键肌群的肌力是膝关节合力的最主要的组成部分，当施加辅助力矩后可有效减少下肢关键肌群的肌力进而减少膝关节合力。外骨骼进行辅助时，使用者的肌肉激活模式会根据辅助力矩进行动态适应以最大化地利用辅助力矩。若辅助是有效的，使用者的动态适应过程会降低步行时的肌力，减少肌肉疲劳，进而防止关节损伤。因此透彻理解人类对于辅助力矩的适应过程是设计高效的辅助装置的基础。本研究基于正常步行中膝关节合力和力矩，计算获得辅助力矩来研究不同辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律。本文基于 和 计算平台，研究了辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律，然而，本研究所采用的辅助力矩计算方法仍存在一定的局限性。本研究假设在施加辅助力矩前后关节角度等运动学数据没有改变，根据 等的研究结果可知，施加辅助前后的关节角度曲线趋势非常相似，并且不同的辅助条件对关节角度影响并不大。此外，本研究聚焦在下肢部分肌群，将来可以将研究进一步拓展至比目鱼肌等更多参与步态的肌群。结论本文通过研究辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律发现，在不同步速下对膝关节施加特定幅度和变化趋势的辅助力矩，可以有效减少下肢关键肌群的肌力，能够降低膝关节合力进而防止膝关节过载损伤。在不同步速下，可以使用相同的辅助力矩来达到减少同等程度膝关节合力的目标，可为主动机械外骨骼等辅助设备的驱动策略提供数据参考。参考文献 ，北京生物医学工程 第 卷 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：（收稿，修回）第 期 王凡杰，等：外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析