基于主成分分析和小波神经网络预测跑步中垂直地面反作用力

目的 建立基于主成分分析(principal component analysis, PCA)和小波神经网络模型(wavelet neural network, WNN)预测跑台上人体所受垂直地面反作用力(vertical ground reaction force, vGRF)的方法。方法 选取9名后足跑者在跑台上以12、14与16 km/h速度跑步,通过红外运动捕捉系统和测力跑台同步采集运动学数据与vGRF。以Morlet函数作为激活函数并构建3层神经网络,将大腿、小腿与足的环节质心速度与髋、膝与踝关节的关节角度输入到模型。使用重相关系数(coefficient of multiple correlation, CMC)以及误差值评价预测模型的准确性,使用Bland-Altman方法分析vGRF预测峰值与测量峰值间一致性。结果 不同速度下vGRF预测曲线与测量曲线间CMC>0.99,预测值与测量值间均方根误差(root mean squared error, RMSE)为0.18～0.28 BW,标准均方根误差(normalized root mean squared err...     

基于深度相机和神经网络的下肢关节力矩估计

目的 通过深度相机和神经网络估计人在直线行走时髋、膝和踝关节的屈伸力矩。方法 利用光学运动捕捉系统、测力板和Azure Kinect深度相机采集20个人的步态信息,受试者被要求以其偏好的步行速度直线行走,同时踏在测力板上。并利用Visual 3D仿真得到关节力矩作为参考值,分别训练人工神经网络（artificial neural network,ANN）模型与长短期记忆（long short-term memory,LSTM）模型进行关节力矩估计。结果 ANN模型估计髋、膝和踝关节的关节力矩的相对均方根误差（relative root mean square error,rRMSE）分别为15.87%~17.32%、18.36%~25.34%和14.11%~16.82%,相关系数分别为0.81~0.85、0.69~0.74和0.76~0.82。LSTM模型具有更好的估计效果,rRMSE分别为8.53%~12.18%、14.32%~18.78%和6.51%~11.83%,相关系数分别达到了0.89~0.95、0.85~0.91和0.90~0.97。结论 本文证实了利用深度相机和神经网络无接触估计人体下肢关节力矩方案的可行性,其中LSTM模型具有更佳的表现。关节力矩估计结果与现有研究相比具有更好的精度,潜在应用场景包含远程医疗、个性化康复方案制定以及矫形器辅助设计等。     

基于精确反馈线性化的动力型下肢假肢支撑期解耦控制

目的 针对膝-踝-趾动力型假肢系统支撑期强耦合性会导致假肢系统控制精度下降的问题,提出精确反馈线性化方法对动力型假肢系统解耦。 方法 采集人体下肢步态信息,将支撑期划分为支撑前中期和支撑末期,建立两个模态的动力学模型;使用精确反馈线性化解耦方法对支撑期假肢系统解耦,结合滑模控制设计动力型下肢假肢控制器;搭建联合仿真平台验证方法的有效性。 结果 解耦后系统相较于解耦前控制精度提高,解耦后支撑前中期膝、踝计算平均绝对误差( mean absolute error,MAE) 分别减少至 0. 001 1°、0. 002 6°,均方根误差( root meansquare error,RMSE) 分别减少至 0. 014 7°、0. 023 6°;支撑末期膝、踝、趾 MAE 分别减少至 0. 011 1°、0. 005 1°、0. 006 5°,RMSE 分别减少至 0. 021 9°、0. 021 0°、0. 012 9°,总体控制误差减少,响应速度加快,并且假肢能够在仿真环境中稳定运行。 结论 本文提出的解耦方法可有效简化下肢假肢系统的控制,并为假肢系统的进一步研究奠定基础。     

老年人下楼梯下肢关节做功模式分析

目的 探究下楼梯行走过程中老龄化对老年人下肢关节做功模式的影响,丰富楼梯行走的防跌倒理论。 方法 采用 Vicon 红外运动捕捉系统和 Kistler 三维测力台同步采集青年人和老年人下楼梯行走的运动学和动力学数据,利用下肢关节角度、力矩、功率、做功贡献度指标对下肢关节做功模式进行量化评定。 结果 下楼梯过程中,青 年组和老年组下肢三关节角度、力矩、功率的变化趋势一致。 在优势腿的 1 个支撑相内,老年人的屈髋力矩峰值、伸膝力矩第 1 峰值、第 2 峰值、跖屈力矩第 1 峰值、膝负功率第 1 峰值、第 2 峰值、踝负功率峰值以及髋、膝、踝关节净功均显著降低(P<0. 05);伸髋力矩峰值、髋负功率峰值、踝关节做功贡献度显著增加(P<0. 05),髋、膝关节做功贡献度并未出现显著性差异(P>0. 05)。 结论 在下楼梯过程中,老年人下肢关节力学特征显著降低。 老年人采取不同于青年人的下肢关节做功模式。 老年人通过较大的伸髋姿势抵制躯干的过度前倾,同时采取踝关节做功的代偿模式,提高下楼梯行走的身体稳定性。 建议老年人在锻炼时应以增加膝、踝关节肌肉力量的项目为主,以维持下楼梯的姿势控制能力。     

面向手过头任务的残差神经网络肌肉疲劳预测模型

目的 探讨手过头任务中上肢关节角度与肌肉疲劳之间的关系,并构建了一种基于残差神经网络（residual neural networks, ResNet）的肌肉疲劳预测模型。方法 通过模拟不同作业姿势和不同操作面下的钻孔试验,测量了肌肉最大自主收缩力、最大耐受时间、最大剩余肌力和主观疲劳评分。将测量后数据进行数据处理作为ResNet预测模型的输入,构建残差神经网络模型,以预测肌肉疲劳水平。结果 ResNet模型具有出色的预测精度,均方根误差（root mean square error,RMSE）为0.028,相较于传统的BP神经网络（RMSE=0.053）和MLP多层感知器神经网络（RMSE=0.059）,其误差更小,拟合更好。结论 提出的残差神经网络肌肉疲劳预测模型能够有效准确地预测肌肉疲劳,为提高工作效率、减少工作相关肌肉骨骼疾患风险提供了有力支持。     

基于SGGC-Net的动作捕捉系统解析行走步态的信度与效度

目的 以有标记点三维运动捕捉系统（Vicon）为参照标准,比较基于SGGC-Net的动作捕捉系统（SGGC-Net系统）和SIMI系统解析行走步态的信度和效度。方法 招募30名健康大学生,分析其在跑步机行走时的步态特征。应用Vicon系统12台红外摄像头及4台摄像机同步采集运动学数据,获取右侧参与者肩、肘、髋、膝和踝关节三维空间角度。采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient,ICC）及其95%置信区间和测量标准误差（standard errors of measurement,SEM）评估信度;采用多重相关系数（multiple correlation coefficients,CMC）和均方根误差（root mean square error,RMSE）评估效度。结果 SGGC-Net系统解析上、下肢三维空间角度最大、最小值的ICC范围为0.798~0.990,SEM范围为0.04°~0.95°;SIMI系统的ICC范围为0.650~0.967,SEM范围为0.31°~1.24°。除髋关节最小角度和膝关节最大角度外,SGGC-Net系统解析所有角度的ICC均高于SIMI系统,且SEM均低于SIMI系统。与Vicon系统得出的上、下肢主要关节角度曲线相比,SGGC-Net系统得出的曲线CMC范围为0.945~0.996,RMSE为1.44°~4.65°;SIMI系统的CMC范围为0.815~0.986,RMSE为2.56°~9.99°。除踝关节外,SGGC-Net系统在所有角度上的CMC均大于SIMI系统,RMSE均小于SIMI系统。结论 SGGC-Net系统在大多数指标中的信度和效度优于SIMI系统,其在解析行走步态时具有较好的可重复性和准确性,可适用于无标记点情境下的动作捕捉,如运动员动作技术分析与特殊人群的临床步态解析。     

冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真

目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。     

深蹲动作下三连杆模型的对比分析

目的 探讨三连杆模型用于深蹲动作互动动力学分析的合理性，明确三连杆模型与Visual 3D计算关节力矩的差异来源。方法 选取8名受试者，通过Vicon获取深蹲动作运动学数据，采用拉格朗日第二类方程建立三连杆动力学方程，基于Mathematica编程计算获取关节力矩，与Visual 3D下肢链节段模型计算结果进行对比分析，并采用复相关系数（coefficient of multiple correlation, CMC）评价两者的相似程度。结果 8名受试者髋、膝关节CMC均大于0.85，踝关节CMC在0.50～0.85之间，三连杆动力学方程和Visual 3D计算的关节力矩在髋、膝关节处高度相似，在踝关节处仅呈现中度相似性。结论 三连杆模型可用于深蹲动作的关节力矩分析以及进一步的环节互动动力学分析，但应当考虑由地面反作用力引起的互动力矩（外力矩）对踝关节力矩的影响。     

坐位伸膝伴髋内收动作对髌股疼痛综合征患者股四头肌表面肌电信号的影响

目的 利用表面肌电图(surface electromyography, sEMG) 评估坐位伸膝伴或不伴髋内收动作下髌股疼痛综合征（patellofemoral pain syndrome,PFPS）患者股四头肌失衡程度。方法 PFPS病例组及正常对照组各30人,分别在坐位伸膝伴或不伴髋内收动作时检测股外侧肌(vastus lateralis,VL)及股内斜肌（vastus medialis oblique, VMO）表面肌电图,分析时域指标均方根振幅(root mean square,RMS)、积分肌电值（integrated EMG,IEMG）,比较其平衡关系。结果 坐位伸膝伴或不伴髋内收动作时病例组VL时域指标无显著性差异;VMO时域指标有统计学差异,伴髋内收时RMS、IEMG指标值较高,说明伴髋内收时VMO的肌肉募集增强。结论 坐位伸膝动作伴髋内收的动作可以对髌股疼痛综合征患者VMO肌电活动产生促进作用,从而使VL、VMO之间达到更好的平衡状态。     

老年人搂膝拗步动作的下肢运动协调特征分析

目的 探讨65岁以上健康老年人进行太极拳搂膝拗步动作时下肢运动的协调性和稳定性。方法 30名太极拳练习者随机完成步行和搂膝拗步动作,采用Vicon三维动作捕捉系统收集下肢运动学数据。结果 搂膝拗步动作时,矢状面关节角度和髋-膝和膝-踝关节相位值变换频繁,髋-膝和膝-踝关节的平均相对相角绝对值以及髋、膝关节平均标准差显著小于步行。结论 与步行相比,太极拳搂膝拗步动作时髋-膝和膝-踝关节呈现出更协调稳定的关节间运动模式。太极拳锻炼可能会为老年人提供一种特定的协调训练方式,提高姿势稳定性,预防跌倒发生。