骨骼肌力産生機理、仿生及應用 [Force Generation Mechanism,Bionics and Applications of Skeletal Muscle] 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　在生物力學領域，骨骼肌收縮力的産生機理是*具吸引力和挑戰性的研究課題之一。通過分析骨骼肌收縮力學原理，建立閤理的骨骼肌力學模型，在肢體運動康復醫學和人工肌肉等仿生領域中具有重要應用價值。從本質上來講，骨骼肌的收縮行為源於肌球蛋白分子馬達，它是一種納米尺度的分子機器，分子馬達通過水解三磷酸腺苷（ATP）産生作用力推動細肌絲與粗肌絲相對運動，大量的分子馬達集體做功使肌肉産生收縮。目前肌肉收縮的微觀機理研究主要集中在分子馬達循環過程的定性描述上，很難對分子馬達微觀動態力學行為進行精確解析。另外，現有骨骼肌生物力學模型主要由Hill的宏觀能量模型與Huxley的微觀橫橋模型發展而來。Hill模型描述簡單，並已廣泛應用於生物醫學工程領域，但屬於準靜態範疇，不夠精確；Huxley模型基於分子馬達能態躍遷，能夠給齣肌小節的動態收縮力。然而，實際上肌肉是由大量肌小節串並聯構成，其動力學特性與單個肌小節存在顯著差彆。可見，現有生物力學模型在微觀描述與宏觀描述之間尚存在一個斷層；更重要的是，這些模型大多集中於解釋性功能，由於其高度的復雜性與大量非綫性參數，難以用於人體運動過程的在綫精確預測，造成雖然各類模型一直經曆著補充與修正，其理論完善性與應用價值至今未齣現本質上的突破。另一方麵，骨骼肌收縮的調控機製與募集策略尚未揭示清楚。單根肌縴維的收縮是典型的非綫性閉環變頻調控過程，影響因素包括頻率實時變化的動作電位，以及肌梭與高爾夫腱器官等感受器的反饋電位。當前，學界對於肌肉的興奮一收縮偶聯（Excitation-EontractionCoupling，ECC）已有瞭大量研究，骨骼肌生物力學模型亦是針對前嚮的ECC過程，但大多未考慮動態變化的激活量，也並未給齣感受器的反饋對運動神經元放電行為的影響規律，即反饋環節的模型尚未建立。以往的研究大多集中於開環定性描述，缺少有效的定量模型，相關研究一直進展緩慢，遠未達成共識。
　　在骨骼肌生物力學理論的工程應用中，肢體運動康復醫學與人工肌肉仿生設計這兩大領域亦取得瞭長足進步，並且擁有廣闊的應用前景。熊林平教授在《老齡化趨勢下中國城鎮老年醫療保障的模式》中指齣，我國自1999年便開始逐步邁入老齡化階段，而且老齡化的速度已經高居全球首位。隨著老齡人口的不斷增加，慢性疾病患者的數量也急劇增加。而與之相對的是，隨著社會的不斷進步和發展，人們對自身健康水平和生活質量的要求越來越高。但是，醫療資源的增加遠遠無法跟上對其需求的快速增長，因此很多患者無法及時得到有效治療，往往造成身體損傷等慘劇。熊教授在文中還指齣，我國65歲及以上人群的慢性病患病率高達64.5%，年住院率為15.3%，而其中應住院卻由於資源有限而未住院的比例高達28%。更為嚴重的是，對於一些疾病，如果不能得到及時有效的治療將會導緻終身殘疾甚至死亡。其中，*為人們所熟知的疾病便是中風。目前對於中風及脊髓損傷患者的治療，早期僅集中於藥物治療，同時對後期的功能訓練也不夠重視，從而延誤瞭康復的號時機，緻使部分患者喪失勞動能力和生活能力。究其原因，臨床治療過程中，以下兩個問題尤其突齣：①針對患者個體化需求的康復策略還有待完善。目前已有多種針對中風及脊髓損傷患者的運動治療方法，但是這些方法單獨治療往往側重於某一方麵，效果不佳，需要針對不同患者的病情，製訂閤理的復閤康復策略，提高康復療效。②多功能康復機器人還有待進一步開發。通過康復機器人技術能夠有效節省康復治療過程中的人力投入，增強康復過程中的安全性。但現有的下肢康復機器人功能單一，患者使用不方便，康復效果不佳，大多醫院和康復中心的設備為進口，價格昂貴，難以推廣應用。

內頁插圖

目錄

第1章 骨骼肌收縮的力産生機理
1．1 骨骼肌的解剖學形態
1．1．1 宏觀結構
1．1．2 介觀結構
1．1．3 微觀結構
1．2 骨骼肌收縮的力産生機理：興奮一收縮偶聯
1．2．1 運動神經元與神經一肌肉接頭
1．2．2 肌梭傳入神經突觸後的動力係統-Markov模型
參考文獻

第2章 骨骼肌收縮的生物力學建模
2．1 驅動與控製過程建模
2．2 骨骼肌的力産生建模
2．2．1 經典模型
2．2．2 單分子馬達運行的多力場耦閤機理
2．2．3 分子馬達的集體運行特性
2．2．4 骨骼肌收縮的4M模型
2．2．5 肌小節收縮的新型半唯象模型
參考文獻

第3章 基於sEMG信號的骨骼肌激活狀態與收縮力估計
3．1 sEMG信號的産生機理
3．2 sEMG信號實時特徵提取與收縮力估計
3．2．1 傳統提取方法
3．2．2 微分式提取方法
3．2．3 信號實時特徵提取實驗及各方法的效果比較
3．2．4 基於相圖的能量核提取方法與收縮力估計
參考文獻

第4章 基於骨骼肌生物力學模型的人機力交互接口及外骨骼機器人技術
4．1 下肢外骨骼康復機器人
4．1．1 發展現狀
4．1．2 關鍵技術
4．1．3 人體下肢解剖學結構與步態特徵
4．1．4 下肢外骨骼機器人本體仿生設計
4．1．5 下肢外骨骼機器人硬件係統
4．1．6 下肢外骨骼機器人軟件係統
4．2 基於多源信號的生機電一體化人機交互接口與主動柔順控製
4．2．1 研究對象
4．2．2 膝關節骨肌係統
4．2．3 基於力交互的多源信號融閤
4．2．4 人機協調控製原理
4．2．5 生機電一體化協調控製策略
4．2．6 主動柔順控製效果
參考文獻

第5章 基於力控製的外骨骼機器人臨床康復技術
5．1 下肢外骨骼康復機器人係統集成
5．1．1 康復機器人機械本體結構
5．1．2 康復機器人控製係統
5．1．3 康復策略的製訂
5．1．4 康復機器人係統軟件
5．2 復閤康復策略
5．2．1 被動康復策略
5．2．2 主動康復策略
5．2．3 遞進式康復策略
5．2．4 基於物聯網的遠程康復策略
5．3 臨床康復試驗
5．3．1 外骨骼機器人空載檢測
5．3．2 外骨骼康復機器人應用實驗
5．3．3 實驗裝置及病人選取
5．3．4 臨床實驗目的、過程及方法
5．3．5 實驗評價指標及統計方法
5．4 對照實驗結果與分析
……

第6章 基於骨骼肌生物力學模型的仿生骨骼肌設計

前言/序言

　　力覺力控製技術一直是科學界與工程界競相研究的熱點，並且在機器人學、超精密製造等領域應用十分廣泛。然而，自誕生以來，力覺力控製技術就在力感知、力産生與力控製等方麵麵臨著諸多挑戰與難題。從本質上看，力覺力控製技術是一種仿生行為，力觸覺是人體的重要感覺之一，涉及力信號的感知、處理與響應，而力信號往往具有全局性、統計性與模糊性。可見，成熟的力覺力控製技術應當具備充分的智能性與自適應能力，這需要深入研究其生物近似——人體肢體的力産生的機理、感知與控製原理。對人體的運動來說，力覺力控製主要由運動神經元、骨骼肌以及運動感受器來實現，其中骨骼肌是人體動力之源，人體運動是由骨骼肌協調收縮而産生的綜閤結果。
　　在生物力學領域，骨骼肌收縮力的産生機理是最具吸引力和挑戰性的研究課題之一。通過分析骨骼肌收縮力學原理，建立閤理的骨骼肌力學模型，在肢體運動康復醫學和人工肌肉等仿生領域中具有重要應用價值。從本質上來講，骨骼肌的收縮行為源於肌球蛋白分子馬達，它是一種納米尺度的分子機器，分子馬達通過水解三磷酸腺苷（ATP）産生作用力推動細肌絲與粗肌絲相對運動，大量的分子馬達集體做功使肌肉産生收縮。目前肌肉收縮的微觀機理研究主要集中在分子馬達循環過程的定性描述上，很難對分子馬達微觀動態力學行為進行精確解析。另外，現有骨骼肌生物力學模型主要由Hill的宏觀能量模型與Huxley的微觀橫橋模型發展而來。Hill模型描述簡單，並已廣泛應用於生物醫學工程領域，但屬於準靜態範疇，不夠精確；Huxley模型基於分子馬達能態躍遷，能夠給齣肌小節的動態收縮力。然而，實際上肌肉是由大量肌小節串並聯構成，其動力學特性與單個肌小節存在顯著差彆。可見，現有生物力學模型在微觀描述與宏觀描述之間尚存在一個斷層；更重要的是，這些模型大多集中於解釋性功能，由於其高度的復雜性與大量非綫性參數，難以用於人體運動過程的在綫精確預測，造成雖然各類模型一直經曆著補充與修正，其理論完善性與應用價值至今未齣現本質上的突破。另一方麵，骨骼肌收縮的調控機製與募集策略尚未揭示清楚。單根肌縴維的收縮是典型的非綫性閉環變頻調控過程，影響因素包括頻率實時變化的動作電位，以及肌梭與高爾夫腱器官等感受器的反饋電位。當前，學界對於肌肉的興奮一收縮偶聯（Excitation-EontractionCoupling，ECC）已有瞭大量研究，骨骼肌生物力學模型亦是針對前嚮的ECC過程，但大多未考慮動態變化的激活量，也並未給齣感受器的反饋對運動神經元放電行為的影響規律，即反饋環節的模型尚未建立。以往的研究大多集中於開環定性描述，缺少有效的定量模型，相關研究一直進展緩慢，遠未達成共識。
　　在骨骼肌生物力學理論的工程應用中，肢體運動康復醫學與人工肌肉仿生設計這兩大領域亦取得瞭長足進步，並且擁有廣闊的應用前景。熊林平教授在《老齡化趨勢下中國城鎮老年醫療保障的模式》中指齣，我國自1999年便開始逐步邁入老齡化階段，而且老齡化的速度已經高居全球首位。隨著老齡人口的不斷增加，慢性疾病患者的數量也急劇增加。而與之相對的是，隨著社會的不斷進步和發展，人們對自身健康水平和生活質量的要求越來越高。但是，醫療資源的增加遠遠無法跟上對其需求的快速增長，因此很多患者無法及時得到有效治療，往往造成身體永久性損傷等慘劇。熊教授在文中還指齣，我國65歲及以上人群的慢性病患病率高達64.5%，年住院率為15.3%，而其中應住院卻由於資源有限而未住院的比例高達28%。更為嚴重的是，對於一些疾病，如果不能得到及時有效的治療將會導緻終身殘疾甚至死亡。其中，最為人們所熟知的疾病便是中風。目前對於中風及脊髓損傷患者的治療，早期僅集中於藥物治療，同時對後期的功能訓練也不夠重視，從而延誤瞭康復的最佳時機，緻使部分患者喪失勞動能力和生活能力。究其原因，臨床治療過程中，以下兩個問題尤其突齣：①針對患者個體化需求的康復策略還有待完善。目前已有多種針對中風及脊髓損傷患者的運動治療方法，但是這些方法單獨治療往往側重於某一方麵，效果不佳，需要針對不同患者的病情，製訂閤理的復閤康復策略，提高康復療效。②多功能康復機器人還有待進一步開發。通過康復機器人技術能夠有效節省康復治療過程中的人力投入，增強康復過程中的安全性。但現有的下肢康復機器人功能單一，患者使用不方便，康復效果不佳，大多醫院和康復中心的設備為進口，價格昂貴，難以推廣應用。
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