【摘要】 病理性震顫指由于染色體遺傳或小腦疾病等造成患者在執(zhí)行精巧動(dòng)作時(shí)發(fā)生震顫。目前，病理性震顫的主要治療手段為藥物治療和手術(shù)治療，但是藥物治療療效較差，手術(shù)治療風(fēng)險(xiǎn)較大，并且往往會(huì)給患者帶來副作用。此外，許多學(xué)者提出了采用便攜式抑震機(jī)器人進(jìn)行治療的手段。但是，便攜式抑震機(jī)器人質(zhì)量較大，在患者執(zhí)行正常動(dòng)作時(shí)會(huì)提供較大的阻力。因此，基于功能性電刺激療法的治療手段目前成為各國相關(guān)工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。本文以肘關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，建立肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)模型，從而為采用功能性電刺激療法的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。為了研究肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中相關(guān)肌肉的特性，搭建了針對(duì)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中的角度信息和主要肌肉的肌電信號(hào)。其中，肌電信號(hào)傳感器采用肌電信號(hào)采集儀，角度傳感器采用光電碼盤；微處理器采用STM32F407DISCOVERY開發(fā)板，以對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；在上位機(jī)利用LABVIEW編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和存儲(chǔ)。在生物力學(xué)建模的過程中，首先建立了以肌肉的肌電信號(hào)為輸入、肘關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度軌跡為輸出的生物力學(xué)模型。在肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，通過采集相關(guān)肌肉的肌電信號(hào)獲得神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的刺激輸入，通過肌肉活化度模型來獲得肌肉的活化程度，通過肌肉力模型來計(jì)算各個(gè)肌肉的輸出力，通過肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)最終計(jì)算出肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中角度的軌跡。其次，建立了以關(guān)節(jié)角度軌跡為輸入、肌肉的肌電信號(hào)為輸出的肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型。在該模型中，分別建立了內(nèi)驅(qū)力模型、高爾基腱的反饋模型和肌梭的反饋模型。另外，分析了高爾基腱的反饋模型頻率響應(yīng)特性，并通過推導(dǎo)揭示出了肌梭反饋模型的本質(zhì)特性。在實(shí)驗(yàn)和仿真環(huán)節(jié)，利用OPENSIM對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)的主要計(jì)算公式以及肌肉力模型進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證；同時(shí)，利用鮑威爾搜索法對(duì)所建模型的主要未知參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并利用一個(gè)單自由度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過本課題，最終建立了以關(guān)節(jié)角度信號(hào)為輸入、相關(guān)肌肉的肌電信號(hào)為輸出的ETA肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，從而為采用功能性電刺激療法治療病理性震顫奠定理論基礎(chǔ)。 

第 1 章 緒 論

目前，病理性震顫的主要治療方式為藥物治療和手術(shù)治療，而藥物治療往往會(huì)產(chǎn)生副作用，并且多數(shù)情況下不能有效抑制患者病情的發(fā)展；手術(shù)治療一般采用腦深部電刺激療法，需要將電極植入到丘腦底核，手術(shù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。此外，許多國內(nèi)外學(xué)者提出了采用便攜式抑震機(jī)器人抑震，但是機(jī)器人質(zhì)量往往較大，會(huì)在一定程度上阻礙患者的正常運(yùn)動(dòng)。為此，構(gòu)想采用電刺激的方式來治療具有病理性震顫的患者，其基本思想是，采集患者的關(guān)節(jié)角度信息，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將不自主震顫信號(hào)從意向運(yùn)動(dòng)信號(hào)中分離出來，并通過電刺激的方式刺激肌肉，使得患者能夠正常運(yùn)動(dòng)。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以有效恢復(fù)患者的正常運(yùn)動(dòng)功能，保持肌肉和神經(jīng)元的活性，提高免疫力。在研究采用功能性電刺激療法進(jìn)行病理性震顫抑制的過程中，關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的研究至關(guān)重要，尤其是以關(guān)節(jié)的位置信息為輸入、相關(guān)肌肉的肌電信號(hào)為輸出的關(guān)節(jié)生物力學(xué)建模(Angles-to-EMG，ATE)。具體在治療過程中，首先對(duì)采集到的關(guān)節(jié)角度信息進(jìn)行分離，分離出不自主震顫角度信息，進(jìn)而利用該模型，，便可計(jì)算出刺激信號(hào)的波形和強(qiáng)度，從而通過功能性電刺激療法，便可有效地抑制患者的病理性震顫。在研究過程中，首先需要建立以肌肉的肌電信號(hào)為輸入、關(guān)節(jié)角度為輸出的關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型(EMG-to-Angles，ETA)，該模型ATE模型的重要組成部分。通過建立ATE模型和ETA模型，可以更深入地了解關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中的生物機(jī)理，從而為治療提供參考。同時(shí)，在仿生領(lǐng)域和體育學(xué)領(lǐng)域中，該模型亦可作為理論指導(dǎo)。
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第 2 章 肌電信號(hào)-肘關(guān)節(jié)角度軌跡生物力學(xué)建模

2.1 引言
人體運(yùn)動(dòng)過程中，神經(jīng)系統(tǒng)通過電流刺激運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元使得肌肉興奮，進(jìn)而收縮和舒張，產(chǎn)生肌肉力，帶動(dòng)骨骼使得其繞關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，通過采集相關(guān)肌肉的肌電信號(hào)獲得神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的刺激輸入，通過肌肉活化度模型來獲得肌肉的活化程度，通過肌肉力模型來計(jì)算各個(gè)肌肉的輸出力，通過肘關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)最終計(jì)算出肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中角度的軌跡。肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)理如圖 2-1 所示。肌電信號(hào)-肘關(guān)節(jié)角度(EMG-to-Angles，ETA)生物力學(xué)建模將建立以肘關(guān)節(jié)附屬肌肉的肌電信號(hào)為輸入、肘關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度為輸出的關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，該模型包括肌肉活化度模型、肌肉力模型和關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)。建立 ETA 肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)的目的是為后續(xù) ATE 模型的建立奠定基礎(chǔ)，因?yàn)樵?ATE 肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的建立中，需要計(jì)算肌肉力和肌肉長度，而直接的肌肉力模型和肌肉長度計(jì)算模型很難通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，并且很難辨識(shí)模型中的未知參數(shù)，而通過建立完整的 ETA 模型，并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，便可間接地對(duì)肌肉力模型和肌肉長度模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并能驗(yàn)證模型的正確性。

 

2.2 肌肉活化度模型
骨骼肌由肌腹和肌腱組成，如圖 2-5(a)所示。肌腹位于肌的中部，由肌纖維構(gòu)成，具有收縮和舒張的功能；肌腱位于肌的兩端，由致密結(jié)締組織組成，非常堅(jiān)韌，無收縮能力，但能抵抗較大的張力。人體大約有 600 多塊骨骼肌，一般情況下，如圖 2-5(a)所示，骨骼肌兩端通過肌腱與骨頭相連，中間的肌腹附著在骨骼上。骨骼肌的肌腹是由一系列平行排列的骨骼肌纖維組成，并被結(jié)締組織所包裹，如圖 2-5(b)所示。由于肌纖維相互平行排列，并具有相似的性質(zhì)，因而在后續(xù)的研究過程中，將這個(gè)肌腹等效為沿其中心位置的一條肌纖維。

第 3 章 肘關(guān)節(jié)角度軌跡-肌電信號(hào)生物力學(xué)建模 ........................ 19

 

3.1 引言 ............................... 19

3.2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的刺激模型 ........................... 20

第 4 章 肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) ............................ 31

4.1 引言 ....................... 31

4.2 傳感器的選擇 ............................. 32

第 5 章 肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 .............................. 42

5.1 引言 .............. 42

5.2 基于 Opensim 模型的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型的仿真和優(yōu)化 ................. 42

第 5 章 肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 引言
第三章和第四章詳細(xì)介紹了 ETA 和 ATE 肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的建立，本章將利用 Opensim 對(duì)建立的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真和驗(yàn)證；其次，利用一個(gè)單自由度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)模型中的一些未知系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)求解，最終對(duì)所建的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.2 基于 Opensim 模型的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型的仿真和優(yōu)化
Opensim 是一款專門用于建立動(dòng)物肌肉力學(xué)模型的仿真軟件，利用該軟件可以創(chuàng)建動(dòng)物的骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉，并創(chuàng)建控制器，從而對(duì)動(dòng)物的行為過程進(jìn)行模擬。Opensim 使用 C++或 MATLAB 程序進(jìn)行模型的建立，利用 Opensim GUI對(duì)模型以及模型運(yùn)動(dòng)的過程進(jìn)行顯示。在以下建立模型的過程中，使用 VS2010作為開發(fā)工具，建立肘關(guān)節(jié)的物理模型。由于在第三章和第四章中已建的大多數(shù)模型是利用相關(guān)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究或在其研究基礎(chǔ)上經(jīng)過推導(dǎo)獲得，模型已經(jīng)過驗(yàn)證，并在一定程序上已達(dá)到最優(yōu)，所以不在進(jìn)行仿真和優(yōu)化。而在肘關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模的過程中，肌肉長度和肌肉力臂的計(jì)算公式需要通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，并且屈肌力臂的計(jì)算公式(2-33)和(2-35)相對(duì)復(fù)雜，需要進(jìn)行仿真優(yōu)化。
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結(jié) 論

本課題是基于利用功能性電刺激療法治療病理性震顫這一構(gòu)想，初步研究了肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的建立，具體包括以肌肉肌電信號(hào)為輸入、肘關(guān)節(jié)角度軌跡為輸出的ETA肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型和以肘關(guān)節(jié)角度軌跡為輸入、肌肉肌電信號(hào)為輸出的ATE肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型。通過初步建立肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，為后續(xù)抑震策略的制定奠定理論基礎(chǔ)。在本課題中，為了驗(yàn)證肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，搭建了單自由度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于采集相關(guān)肌電信號(hào)和角度信息；在模型參數(shù)辨識(shí)的過程中，引入了鮑威爾搜索法，并利用OPENSIM仿真軟件對(duì)肘關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。具體研究成果如下：（1）建立了以肌肉肌電信號(hào)為輸入、肘關(guān)節(jié)角度軌跡為輸出的ETA肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，該模型中包括肌肉活化度模型、肌肉力模型和關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。在傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型中，模型輸出為關(guān)節(jié)力矩，而在本課題中所建立的模型其輸出為關(guān)節(jié)角度軌跡，從而使得輸出更加直觀，更容易通過相關(guān)傳感器測量獲得，為后續(xù)ATE肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。
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