[发明专利]基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法

说明书

本发明涉及医疗器械，为优化得到电刺激下肌骨系统中肌肉的收缩力和关节的接触力。本发明，基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法，步骤如下：1)计算体段i的质心CM_i，质量m_i，运动的加速度转动惯量矩阵I_i3×3，角速度角加速度远端和近端关节的中心C_id和C_ip，近端关节中心到远端关节中心的向量质心到近端关节中心的向量重力加速度为常量；2)根据已有肌骨三维信息模板，利用线性缩放方法，确定肌肉在骨骼上的起止点、附着位置和关节中心，得到每块肌肉在关节处的收缩方向以及相对于旋转中心的力臂3)由反向动力学可以计算出每个体段的肌肉收缩力与关节接触力的合力合力距计算；4)确定静态优化方法。本发明主要应用于肌骨刺激场合。

技术领域

本发明涉及医疗器械，具体讲,涉及基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法。

背景技术

功能性电刺激是通过电流脉冲序列来刺激肢体运动肌群及其外周神经，有效地帮助使用者恢复或增强运动功能。它是临床康复助行和训练中常见的有效工具。功能性电刺激的使用能够人为地增大特定肌肉的收缩力，改变人体原有的肌肉收缩策略。

肌骨模型，即人体肌肉骨骼的数学模型，其中包含了肌肉和骨骼的几何形状、质量和相对位置，以及运动学和力学参数的计算。肌骨模型是肌骨动力学研究的主要方法，它把人体运动的复杂过程，简化成一个数学模型，再由这个数学模型计算肌骨系统中涉及到的运动和力。

静态优化，是肌骨模型中非常重要的一个组成部分。由于人体肌肉数量的庞大，而基于体段的反向动力学分析所能提供的已知量有限，因此，为求解数目繁多的未知量，必须借助于优化的方法。优化的目标函数如公式1。它模拟的是正常人做习惯性动作时的肌肉的收缩模式，即肌肉收缩的原则是以最高的效率，最低的疲劳度完成既定动作。优化的过程是找到一组肌肉的收缩力，使其在满足约束条件的前提下，目标函数的值达到最小。

其中f_k是肌肉k的实际收缩力，f_kmax是肌肉k的最大收缩力。f_kmax是一个与肌肉生理横断面积紧密相关的常量。

公式1的目的在于根据肌肉生理横截面积的大小分配肌肉的收缩力，即较粗的肌肉产生较强的收缩而较细的肌肉产生较弱的收缩。这种“能者多劳”的分配策略并不适于受电刺激影响的情况：电刺激下，肌肉的收缩受刺激强度的调控。因此，为研究功能性电刺激下，肌骨系统的生物力学，必须采用新的优化方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种电刺激仿真优化方法，优化得到电刺激下肌骨系统中肌肉的收缩力和关节的接触力。本发明采用的技术方案是，基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法，步骤如下：

1)根据人体测量学参数和运动学数据，计算体段i的质心CM_i，质量m_i，运动的加速度转动惯量矩阵I_i3×3，角速度角加速度远端和近端关节的中心C_id和C_ip，近端关节中心到远端关节中心的向量质心到近端关节中心的向量重力加速度为常量；

2)根据已有肌骨三维信息模板，利用线性缩放方法，确定肌肉在骨骼上的起止点、附着位置和关节中心，通过计算得到每块肌肉在关节处的收缩方向以及相对于旋转中心的力臂

已知肌肉k连接体段i和j的两个附着点分别为V_i和V_j，假设肌肉k绕体段i近端关节的中心C_ip的力臂为那么肌肉k的收缩力方向和力臂的计算如下

3)由反向动力学可以计算出每个体段的肌肉收缩力与关节接触力的合力合力距计算过程如下：