[发明专利]一种肌肉能量消耗的量化分析方法

说明书

一种肌肉能量消耗的量化分析方法，包括如下步骤：根据肌肉质量、快慢肌纤维占比、激活热量常数以及激活度，计算肌肉激活热量；建立肌纤维长度相对于理想长度的分段函数，结合肌肉质量、快慢肌纤维占比、维持热量常数和兴奋水平，计算肌肉维持热量；根据收缩类型、相对速度和相对长度确定热系数，计算肌纤维缩短‑拉长热量和跟腱弹性势能；根据当前肌力水平和绝对收缩速度，计算机械功；则肌肉能量消耗为上述分项之和。本发明可实现激活热量、维持热量、缩短‑拉长热量、机械功热率和静息热量的准确描述和量化分离，并可进一步计算肌肉运动效率。本发明对于评判外骨骼助力性能、监控运动疲劳及肌肉功能评估具有重要理论意义和应用价值。

技术领域

本发明涉及运动能量消耗评估、人体运动疲劳监测和肌肉效率量化分析等技术领域，特别涉及一种肌肉能量消耗的量化分析方法。

背景技术

肌肉能量消耗是运动产生的根本原因。肌肉利用ATP水解自由能实现肌肉兴奋活化和纤维收缩，最终产生机械功和热量，形成外在客观的运动。在运动人体科学和康复等领域，肌肉能量消耗的量化评估具有重要理论意义和应用价值。如，肌肉能量消耗可用于评判外骨骼的助力性能，辅助优化设计；在运动训练和康复评估方面，肌肉能量消耗则可用于评估肌肉功能、量化肌肉效率(机械功/能量消耗，该值越大反映功能越好)及监测运动疲劳；此外，肌肉能量消耗最小化则是模拟仿真领域中动作优化和肌力分配的准则。

然而，当前此领域内并未有可完整描述和量化肌肉能量消耗的方法。

多环节肌肉的肌骨系统建模是探究肌肉收缩行为的有利工具，其理论来源于Hill模型。较为不足的是，希尔模型仅可用于描述肌肉的机械力学行为，但无法描述肌肉能量消耗行为。热力学揭示了能量形式转化的宏观规律，具有广泛的应用。因此，将热力学和Hill模型有机的结合起来，为描述肌肉的能量消耗行为提供了可能。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种肌肉能量消耗的量化分析方法，从肌肉收缩力学和热力学的角度量化肌肉收缩的能量消耗，该方法可实现激活热量、维持热量、缩短-拉长热量、机械功热率和静息热量的准确描述和量化分离，并可进一步计算肌肉运动效率。

本发明的技术方案如下：

一种肌肉能量消耗的量化分析方法，包括如下步骤：

S1：根据肌肉质量、肌肉快慢肌纤维占比、激活热量常数以及肌肉激活度，计算肌肉激活热量

S2：纳入肌纤维理想长度，建立肌纤维长度相对于理想长度的分段函数，结合肌肉质量、快慢肌纤维占比、维持热量常数和肌肉兴奋水平，计算肌肉维持热量

S3：确定当前肌纤维收缩或拉长速度，根据肌肉收缩类型、相对肌纤维速度和相对肌纤维长度确定缩短-拉长热系数，计算肌纤维缩短-拉长热量和跟腱弹性势能，进而得到肌肉缩短-拉长热量

S4：根据当前肌力水平和绝对收缩速度，计算机械功

其中：是机械功热率，F_CE、V_CE、t是当前肌肉收缩单元的肌力大小、收缩速度、收缩时间；

S5：将步骤S1～S4中分别得到的肌肉激活热量肌肉维持热量肌肉缩短-拉长热量和机械功进行相加，即为肌肉能量消耗

进一步的，步骤S1包括如下步骤：

S11：根据大数据的人体测量学参数或影像化技术手段确定肌肉质量m；所述人体测量学参数是指肌肉占体重的百分比；所述影像化技术手段包括但不限于核磁共振；

S12：根据生物活检技术或模拟仿真相关研究确定肌肉的快肌纤维质量分数和慢肌纤维质量分数