骨骼肌力产生机理、仿生及应用 [Force Generation Mechanism,Bionics and Applications of Skeletal Muscle] 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　在生物力学领域，骨骼肌收缩力的产生机理是*具吸引力和挑战性的研究课题之一。通过分析骨骼肌收缩力学原理，建立合理的骨骼肌力学模型，在肢体运动康复医学和人工肌肉等仿生领域中具有重要应用价值。从本质上来讲，骨骼肌的收缩行为源于肌球蛋白分子马达，它是一种纳米尺度的分子机器，分子马达通过水解三磷酸腺苷（ATP）产生作用力推动细肌丝与粗肌丝相对运动，大量的分子马达集体做功使肌肉产生收缩。目前肌肉收缩的微观机理研究主要集中在分子马达循环过程的定性描述上，很难对分子马达微观动态力学行为进行精确解析。另外，现有骨骼肌生物力学模型主要由Hill的宏观能量模型与Huxley的微观横桥模型发展而来。Hill模型描述简单，并已广泛应用于生物医学工程领域，但属于准静态范畴，不够精确；Huxley模型基于分子马达能态跃迁，能够给出肌小节的动态收缩力。然而，实际上肌肉是由大量肌小节串并联构成，其动力学特性与单个肌小节存在显著差别。可见，现有生物力学模型在微观描述与宏观描述之间尚存在一个断层；更重要的是，这些模型大多集中于解释性功能，由于其高度的复杂性与大量非线性参数，难以用于人体运动过程的在线精确预测，造成虽然各类模型一直经历着补充与修正，其理论完善性与应用价值至今未出现本质上的突破。另一方面，骨骼肌收缩的调控机制与募集策略尚未揭示清楚。单根肌纤维的收缩是典型的非线性闭环变频调控过程，影响因素包括频率实时变化的动作电位，以及肌梭与高尔夫腱器官等感受器的反馈电位。当前，学界对于肌肉的兴奋一收缩偶联（Excitation-EontractionCoupling，ECC）已有了大量研究，骨骼肌生物力学模型亦是针对前向的ECC过程，但大多未考虑动态变化的激活量，也并未给出感受器的反馈对运动神经元放电行为的影响规律，即反馈环节的模型尚未建立。以往的研究大多集中于开环定性描述，缺少有效的定量模型，相关研究一直进展缓慢，远未达成共识。
　　在骨骼肌生物力学理论的工程应用中，肢体运动康复医学与人工肌肉仿生设计这两大领域亦取得了长足进步，并且拥有广阔的应用前景。熊林平教授在《老龄化趋势下中国城镇老年医疗保障的模式》中指出，我国自1999年便开始逐步迈入老龄化阶段，而且老龄化的速度已经高居全球首位。随着老龄人口的不断增加，慢性疾病患者的数量也急剧增加。而与之相对的是，随着社会的不断进步和发展，人们对自身健康水平和生活质量的要求越来越高。但是，医疗资源的增加远远无法跟上对其需求的快速增长，因此很多患者无法及时得到有效治疗，往往造成身体损伤等惨剧。熊教授在文中还指出，我国65岁及以上人群的慢性病患病率高达64.5%，年住院率为15.3%，而其中应住院却由于资源有限而未住院的比例高达28%。更为严重的是，对于一些疾病，如果不能得到及时有效的治疗将会导致终身残疾甚至死亡。其中，*为人们所熟知的疾病便是中风。目前对于中风及脊髓损伤患者的治疗，早期仅集中于药物治疗，同时对后期的功能训练也不够重视，从而延误了康复的号时机，致使部分患者丧失劳动能力和生活能力。究其原因，临床治疗过程中，以下两个问题尤其突出：①针对患者个体化需求的康复策略还有待完善。目前已有多种针对中风及脊髓损伤患者的运动治疗方法，但是这些方法单独治疗往往侧重于某一方面，效果不佳，需要针对不同患者的病情，制订合理的复合康复策略，提高康复疗效。②多功能康复机器人还有待进一步开发。通过康复机器人技术能够有效节省康复治疗过程中的人力投入，增强康复过程中的安全性。但现有的下肢康复机器人功能单一，患者使用不方便，康复效果不佳，大多医院和康复中心的设备为进口，价格昂贵，难以推广应用。

内页插图

目录

第1章 骨骼肌收缩的力产生机理
1．1 骨骼肌的解剖学形态
1．1．1 宏观结构
1．1．2 介观结构
1．1．3 微观结构
1．2 骨骼肌收缩的力产生机理：兴奋一收缩偶联
1．2．1 运动神经元与神经一肌肉接头
1．2．2 肌梭传入神经突触后的动力系统-Markov模型
参考文献

第2章 骨骼肌收缩的生物力学建模
2．1 驱动与控制过程建模
2．2 骨骼肌的力产生建模
2．2．1 经典模型
2．2．2 单分子马达运行的多力场耦合机理
2．2．3 分子马达的集体运行特性
2．2．4 骨骼肌收缩的4M模型
2．2．5 肌小节收缩的新型半唯象模型
参考文献

第3章 基于sEMG信号的骨骼肌激活状态与收缩力估计
3．1 sEMG信号的产生机理
3．2 sEMG信号实时特征提取与收缩力估计
3．2．1 传统提取方法
3．2．2 微分式提取方法
3．2．3 信号实时特征提取实验及各方法的效果比较
3．2．4 基于相图的能量核提取方法与收缩力估计
参考文献

第4章 基于骨骼肌生物力学模型的人机力交互接口及外骨骼机器人技术
4．1 下肢外骨骼康复机器人
4．1．1 发展现状
4．1．2 关键技术
4．1．3 人体下肢解剖学结构与步态特征
4．1．4 下肢外骨骼机器人本体仿生设计
4．1．5 下肢外骨骼机器人硬件系统
4．1．6 下肢外骨骼机器人软件系统
4．2 基于多源信号的生机电一体化人机交互接口与主动柔顺控制
4．2．1 研究对象
4．2．2 膝关节骨肌系统
4．2．3 基于力交互的多源信号融合
4．2．4 人机协调控制原理
4．2．5 生机电一体化协调控制策略
4．2．6 主动柔顺控制效果
参考文献

第5章 基于力控制的外骨骼机器人临床康复技术
5．1 下肢外骨骼康复机器人系统集成
5．1．1 康复机器人机械本体结构
5．1．2 康复机器人控制系统
5．1．3 康复策略的制订
5．1．4 康复机器人系统软件
5．2 复合康复策略
5．2．1 被动康复策略
5．2．2 主动康复策略
5．2．3 递进式康复策略
5．2．4 基于物联网的远程康复策略
5．3 临床康复试验
5．3．1 外骨骼机器人空载检测
5．3．2 外骨骼康复机器人应用实验
5．3．3 实验装置及病人选取
5．3．4 临床实验目的、过程及方法
5．3．5 实验评价指标及统计方法
5．4 对照实验结果与分析
……

第6章 基于骨骼肌生物力学模型的仿生骨骼肌设计

前言/序言

　　力觉力控制技术一直是科学界与工程界竞相研究的热点，并且在机器人学、超精密制造等领域应用十分广泛。然而，自诞生以来，力觉力控制技术就在力感知、力产生与力控制等方面面临着诸多挑战与难题。从本质上看，力觉力控制技术是一种仿生行为，力触觉是人体的重要感觉之一，涉及力信号的感知、处理与响应，而力信号往往具有全局性、统计性与模糊性。可见，成熟的力觉力控制技术应当具备充分的智能性与自适应能力，这需要深入研究其生物近似——人体肢体的力产生的机理、感知与控制原理。对人体的运动来说，力觉力控制主要由运动神经元、骨骼肌以及运动感受器来实现，其中骨骼肌是人体动力之源，人体运动是由骨骼肌协调收缩而产生的综合结果。
　　在生物力学领域，骨骼肌收缩力的产生机理是最具吸引力和挑战性的研究课题之一。通过分析骨骼肌收缩力学原理，建立合理的骨骼肌力学模型，在肢体运动康复医学和人工肌肉等仿生领域中具有重要应用价值。从本质上来讲，骨骼肌的收缩行为源于肌球蛋白分子马达，它是一种纳米尺度的分子机器，分子马达通过水解三磷酸腺苷（ATP）产生作用力推动细肌丝与粗肌丝相对运动，大量的分子马达集体做功使肌肉产生收缩。目前肌肉收缩的微观机理研究主要集中在分子马达循环过程的定性描述上，很难对分子马达微观动态力学行为进行精确解析。另外，现有骨骼肌生物力学模型主要由Hill的宏观能量模型与Huxley的微观横桥模型发展而来。Hill模型描述简单，并已广泛应用于生物医学工程领域，但属于准静态范畴，不够精确；Huxley模型基于分子马达能态跃迁，能够给出肌小节的动态收缩力。然而，实际上肌肉是由大量肌小节串并联构成，其动力学特性与单个肌小节存在显著差别。可见，现有生物力学模型在微观描述与宏观描述之间尚存在一个断层；更重要的是，这些模型大多集中于解释性功能，由于其高度的复杂性与大量非线性参数，难以用于人体运动过程的在线精确预测，造成虽然各类模型一直经历着补充与修正，其理论完善性与应用价值至今未出现本质上的突破。另一方面，骨骼肌收缩的调控机制与募集策略尚未揭示清楚。单根肌纤维的收缩是典型的非线性闭环变频调控过程，影响因素包括频率实时变化的动作电位，以及肌梭与高尔夫腱器官等感受器的反馈电位。当前，学界对于肌肉的兴奋一收缩偶联（Excitation-EontractionCoupling，ECC）已有了大量研究，骨骼肌生物力学模型亦是针对前向的ECC过程，但大多未考虑动态变化的激活量，也并未给出感受器的反馈对运动神经元放电行为的影响规律，即反馈环节的模型尚未建立。以往的研究大多集中于开环定性描述，缺少有效的定量模型，相关研究一直进展缓慢，远未达成共识。
　　在骨骼肌生物力学理论的工程应用中，肢体运动康复医学与人工肌肉仿生设计这两大领域亦取得了长足进步，并且拥有广阔的应用前景。熊林平教授在《老龄化趋势下中国城镇老年医疗保障的模式》中指出，我国自1999年便开始逐步迈入老龄化阶段，而且老龄化的速度已经高居全球首位。随着老龄人口的不断增加，慢性疾病患者的数量也急剧增加。而与之相对的是，随着社会的不断进步和发展，人们对自身健康水平和生活质量的要求越来越高。但是，医疗资源的增加远远无法跟上对其需求的快速增长，因此很多患者无法及时得到有效治疗，往往造成身体永久性损伤等惨剧。熊教授在文中还指出，我国65岁及以上人群的慢性病患病率高达64.5%，年住院率为15.3%，而其中应住院却由于资源有限而未住院的比例高达28%。更为严重的是，对于一些疾病，如果不能得到及时有效的治疗将会导致终身残疾甚至死亡。其中，最为人们所熟知的疾病便是中风。目前对于中风及脊髓损伤患者的治疗，早期仅集中于药物治疗，同时对后期的功能训练也不够重视，从而延误了康复的最佳时机，致使部分患者丧失劳动能力和生活能力。究其原因，临床治疗过程中，以下两个问题尤其突出：①针对患者个体化需求的康复策略还有待完善。目前已有多种针对中风及脊髓损伤患者的运动治疗方法，但是这些方法单独治疗往往侧重于某一方面，效果不佳，需要针对不同患者的病情，制订合理的复合康复策略，提高康复疗效。②多功能康复机器人还有待进一步开发。通过康复机器人技术能够有效节省康复治疗过程中的人力投入，增强康复过程中的安全性。但现有的下肢康复机器人功能单一，患者使用不方便，康复效果不佳，大多医院和康复中心的设备为进口，价格昂贵，难以推广应用。
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