[发明专利]基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法

摘要

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CMi，质量mi，运动的加速度转动惯量矩阵Ii3×3，角速度角加速度远端和近端关节的中心Cid和Cip，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。

主权项

一种基于肌骨模型的电刺激仿真优化方法，其特征是，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CMi，质量mi，运动的加速度转动惯量矩阵Ii3×3，角速度角加速度远端和近端关节的中心Cid和Cip，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Vi和Vj，假设肌肉k绕体段i近端关节的中心Cip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：已知体段远端的所受力和力矩和那么，体段近端所受力和力矩和为体段所受肌肉收缩力和关节接触力的合力和力矩为4)确定静态优化方法：刺激仿真优化的设计变量，即优化求解的未知量为每块肌肉的收缩力的大小fk和体段远端和近端关节的接触力和刺激仿真优化的目标函数是在原有目标函数的基础上，加入一个参数c，如公式8所示：Σkck·(fkfkmax)3---(8)]]>其中，肌肉k的对应c值该目标函数的作用相当于增大了刺激肌肉的最大收缩力，即增大了肌肉的生理横截面积；在肌肉收缩力分配的过程中，刺激肌肉被当做较大肌肉，获得了较大的肌肉收缩力；刺激仿真优化的约束条件为：刺激仿真优化的过程是找到一组设计变量，即每块肌肉的收缩力的大小fk和体段远端和近端关节的接触力和在满足约束条件公式9的基础上，使得目标函数公式8的值达到最小。这组设计变量即为优化的结果。