下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究.pdf

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、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 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依据.相关性计算采用皮尔森相关系数(皮尔森积矩相关系数)进行线性相关性计算 皮尔森相关系数是用来反映两个变量线性相关程度的统计量 两个变量之间的皮尔森相关系数定义为两个变量之间的协方差和标准差的商:()()()()式中()为两个变量的协方差为两个变量标准差的乘积 是 的平均值是 的平均值 为期望 皮尔森相关系数的变化范围为 到 绝对值越接近于 相关性越强(负相关/正相关)系数为 表示为两变量不相关.变化率计算数据的归一化()是将数据按比例缩放使之落入一个小的特定区间 去除数据的单位限制将其转化为无量纲的纯数值便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权加快训练网络的收敛性 其中最典型的就是数据的归一化处理即将数据统一映射到区间上 ()式中为一组数据中的最小值为一组数据中的最大值变化率是变化的量与发生这一变化所用时间的比值 通过计算肌力的变化率可以了解肌力变化趋势以及未来走势 ()式中分别为 和 时刻的肌力.占比计算占比是指在总数中所占的比重常用百分比表示 在数学中比例是一个总体中各个部分的数量占总体数量的比重用于反映总体的构成或者结构 ()式中为第 块肌肉力量 为同一状 态的所有肌肉力量总和 为肌肉数量其中 实验与结果.实验设计受试者为南京钟山康复医院 名正常健康的年轻人 在过去半年中无任何下肢损伤史实验前 个小时没有进行高强度运动 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 个反光 球(见图)实验具体流程为:()受试者双手打开保持 秒站姿拍摄静态标记文件()受试者模拟行动不便人群的步态(见图)为了获取更精细的数据实验时把步态周期延长()受试者在行动不便步行的基础上模仿向前绊倒动作(见图)()受试者模拟行动不便的基础上模仿向后滑倒的动作(见图)图 步行过程图 前摔过程图 后摔过程.步行和跌倒数据对比步行周期由支撑相和摆动相组成 摆动相是指从一侧脚尖离地到紧接着同侧脚跟击地的过程支撑相是指从一侧脚跟击地到紧接着同侧脚尖离地的过程进一步地支撑相还可细分为脚跟击地期、完全站立期、脚跟离地期 对于正常的步态而言四个步态时相在时间长度上的比例大致为脚跟击地 完 全 站 立 脚 跟 离 地 摆 动 相 图 所示为一名典型受试者的一个步态牛玉荣等 下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究周期的数据变化其中 时刻为左脚跟击地 时刻为右脚趾离地 时刻为右脚跟击地 为左脚趾离地 时刻为下一次左脚跟击地 时刻为下一次右脚趾离地 为脚跟击地期 为完全站立期 为脚跟离地期 为摆动期 为一个完整的步态 其中划分依据为测力板所测量的数值图 步行时关节角度 下肢肌力图 分析图 可知该受试者的四个步态时相在时间长度上的比例分别为 和 支撑相较长符合行动不便人群的步态特征 模拟行动不便人群的左右关节活动度具有不对称性(左右的髋和膝的关节活动度在一个步态周期内峰值差异较大)股外侧肌腓肠肌和比目鱼肌在步行中发挥重要作用图 和图 是其中一名典型受试者模拟向后和向前跌倒情况下的关节活动度和下肢肌力的变化实验模拟的是因左下肢无法站稳而导致的摔倒将左脚踏入 三维测力台作为模拟实验的起始点 图 和图 分别为受试者向后、向前摔倒因左脚刚迈入测力台到上肢接触地面的过程 图 和图 模拟行动不便人群跌倒过程相较于图 髋、膝、踝关节的关节活动度变化较大跌倒过程中下肢肌力激增本研究模拟的是因左下肢无法站稳而导致的摔倒可看出摔倒过程中左侧的股外侧肌、左侧比目鱼肌和右侧股直肌肌力较大左下肢各块肌肉的肌力比右下肢各块肌肉的肌力大图 后摔时关节角度 下肢肌力图图 前摔时关节角度 下肢肌力图为了分析步行、后摔以及前摔实验过程中下肢各块肌肉的肌力与髋、膝、踝关节的关节活动度的相关性使用 软件进行相关性计算其中图 图 为下肢肌肉与关节活动度的相关性热图其中的数值为 名受试者的相关系数取绝对值的平均值 对比图 图 可知:在步行状态下与髋关节活动度相关性较大的肌群有股二头肌、股外侧肌蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)以及股内侧肌与膝关节活动度相关性较大的肌群有股二头肌、腓肠肌与踝关节活动度相关性较大的肌群有胫骨直肌、腓肠肌和比目鱼肌 向前和向后跌倒过程中的各块肌群与髋、膝、踝关节的活动度的相关性跟步行过程的相比差异较大图 步行过程中关节活动度与下肢肌肉肌力相关性热图图 后摔过程中关节活动度与下肢肌肉肌力相关性热图图 前摔过程中关节活动度与下肢肌肉肌力相关性热图 由于肌力与肌电为相互关系计算肌力的变化率可以反映肌电变化特征 先将各肌肉(群)的肌力进行归一化再计算归一化后数据的变化率将时间窗口设置为 将受试者步行过程中的各肌肉肌力归一化后的最大变化率作为阈值计算跌倒过程中最先出现大于阈值的时间点 名受试者的平均结果如表 所示第二列和第三列数据分别为后摔和前摔过程中从踏入测力台到超过步行的最大速率时刻(其中“无”表示 个人中超过 个人在整个摔倒过程中未找到该块肌肉中超过步行的最大速率的时刻)表 出现最大变化率的时间点肌群后摔/前摔/股二头肌.半腱肌.股内侧肌.股外侧肌.股直肌无无胫骨前肌无无腓肠肌.比目鱼肌.通过表 可知在上肢落地前股外侧肌和比目鱼肌较早出现最大变化率计算各肌肉力量在步行后摔和前摔过程中的占比将 名受试者的结果进行均值计算(见表)表 肌肉力量占比肌群步行/后摔/前摔/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.由表 可知在行走过程中股外侧肌、腓肠肌以及比目鱼肌承受了较大肌力肌肉力量强健对人体步行有着重要作用 向前和向后跌倒的过程中股外侧肌腓肠肌和比目鱼肌力量的比重失调严重 结论本研究使用静态优化算法计算下肢冗余肌力分配量化步行以及跌倒过程中下肢各单块肌肉(群)牛玉荣等 下肢肌力的跌倒风险预测的方法研究肌应力的变化规律进而为分析跌倒时肌肉功能评估下肢肌肉与跌倒风险的关系预防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 结论如下:()在步行过程中行动不便人群的支撑相较长关节活动度具有不对称性关节活动度的峰值差异较大 跌倒相对于步行下肢肌力激增()在步行过程中与髋关节活动度相关性较大的肌群有股二头肌、半腱肌、股外侧肌以及股内侧肌与膝关节活动度相关性较大的肌群有股二头肌、半腱肌以及股外侧肌与踝关节活动度相关性较大的肌群有股外侧肌、股内侧肌、胫骨直肌以及小腿三头肌(腓肠肌和比目鱼肌)跌倒过程中的各块肌群与髋、膝、踝关节的活动度的相关性跟步行过程的相比差异较大()用下肢肌力数据归一化后的数据计算各肌肉的肌力变化率股外侧肌和比目鱼肌较早出现最大变化率()计算下肢各肌肉的力量占比其中股外侧肌、腓肠肌以及比目鱼肌承受较大肌力肌肉力量强健维持步态平衡具有重要作用综上所述将跌倒与步行相比各块肌群与髋、膝、踝关节的活动度的相关性差异较大需要控制好各个肌群的力量对比各肌群的下肢肌力股外侧肌和比目鱼肌相较于其他肌肉(群)更适合设置肌电信号采集装置进行跌倒预测参考文献:衣晓峰.我国 岁及以上老年人跌倒概率升高.健康报 ().():.:.:.:.:.():.肖依瑶.基于 跌倒检测系统的研究与实现.武汉:武汉理工大学:.靳少康.基于可穿戴传感的跌倒检测研究.保定:河北大学:.任文阳.基于表面肌电信号的人体摔倒预测方法研究.保定:河北大学:.张云超.融合肌电信息的人体踝关节三维活动度量化方法研究.保定:河北大学:.:.李陆陆.基于生物力学的人 助力外骨骼系统建模.成都:电子科技大学:.郭超何育民孙朝阳.环境下人体下肢行走生物力学特性研究.机械科学与技术():.:.郭维生王志坚刘涓.肌肉收缩 特性式的理论研究.生物物理学报():.:.():.张希安叶铭王成焘.基于骨肌模型的肌肉力计算方法及其面临的若干问题.医用生物力学():.孙利鑫陈骐郝卫亚.两种不同肌肉力求解算法的对比分析.医用生物力学():.苏海龙许兆健张峻霞等.人体步态滑跌过程中的下肢表面肌电特性研究.中国生物医学工程学报():.钟运健刘宇裘艺等.快速跑完整步态中下肢肌肉的应力变化及肌肉功能探讨.体育科学():.邹琳.基于表面肌电信号的下肢肌力预测研究.武汉:武汉理工大学:.():.():.张跃.肌电与肌力的相互关系.体育与科学():.蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)