[发明专利]一种基于机械功的肌肉量化分析方法

说明书

本发明涉及一种基于机械功的肌肉量化分析方法，包括以下步骤：步骤S1：采集受试者行走时的运动捕捉数据，地面反作用力数据和肌电数据；步骤S2：将步骤S1中的数据作为开源软件opensim的输入，通过缩放一个肌肉骨骼模型得到受试者的肌电驱动肌肉骨骼模型；步骤S3：利用opensim的逆动力学和残差缩减和肌肉计算控制工具获取多个步态周期的力臂和肌肉力量；步骤S4：取超过10个步态周期数据的均值，重采样为101个点，然后利用肌力和力臂计算肌肉机械功，并绘制曲线；步骤S5：通过地面反作用力将步态划分为四个阶段。利用肌肉机械功的变化情况反映肌肉在步态的不同阶段的收缩方式以及肌肉之间的协调作用。本发明能够反映每块肌肉的收缩方式以及它们之间的协调作用。

技术领域

本发明涉及生物力学领域，特别是一种基于机械功的肌肉量化分析方法。

背景技术

由于人体运动是肌肉之间协调收缩从而带动关节运动的结果，因此量化肌肉之间的协调作用对运动功能的评估和异常步态的分析十分重要。

随着现代测量技术的发展，目前已经有许多该领域的学者通过量化运动学、动力学、力板以及肌电等数据来分析肌肉，从而探讨某一行为动作下肌肉对关节负荷、重力加速度、身体支撑与前进等方面的贡献。而人体产生这些动作的最主要原因是肌肉之间的协调，但目前研究都无法直观的反映肌肉协调关系。

现有技术中虽然对人体运动参数进行量化分析，但仍无法了解肌肉之间复杂的协调关系。目前通过量化表面肌电信号的振幅，计算肌肉之间的相关系数来分析肌肉的协调关系，但无法了解肌肉之间是如何相互协调从而产生关节运动的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于机械功的肌肉量化分析方法，解决了目前肌肉量化分析方法无法直观分析肌肉之间协调作用的问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于机械功的肌肉量化分析方法，包括以下步骤：

步骤S1：采集受试者行走时的运动捕捉数据，地面反作用力数据和肌电数据；

步骤S2：以所述运动捕捉数据和肌电数据作为开源软件opensim的输入，通过缩放一个肌肉骨骼模型得到受试者的肌电驱动肌肉骨骼模型；

步骤S3：利用opensim的逆动力学和残差缩减和肌肉计算控制工具获取多个步态周期的力臂和肌肉力量；

步骤S4：取超过10个步态周期数据的均值，重采样为101个点，然后利用肌力和力臂计算肌肉机械功，并绘制机械功在一个步态中变化的曲线；

步骤S5：通过地面反作用力将步态划分为第一个双腿支撑期、单腿支撑期、第二个双腿支撑期和摆动期四个阶段；

步骤S6：利用肌肉机械功的变化情况反映肌肉在步态的不同阶段的收缩方式以及肌肉之间的协调作用：当肌肉做功增加时，肌肉向心收缩；肌肉做功减少时，肌肉离心收缩；在步态中，每块肌肉的收缩方式不同，肌肉之间的协调关系可分为协同、拮抗。

进一步地，所述计算肌肉机械功的具体过程为：

肌肉机械功等于肌肉收缩的长度和其收缩时产生的张力的乘积；将相邻两个时刻肌力的平均值作为中间时刻肌肉收缩时产生的张力，将相邻时刻的力臂差值作为肌肉收缩过程中变化的长度；公式如下：

W_i＝F_i*R_i ⑴

F_i＝(f_i-0.5+f_i-0.5)/2 ⑵

R_i＝r_i+0.5-r_i-0.5 ⑶