一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法技术

本发明专利技术涉及一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法。提出一种下肢骨骼肌的粘弹性模型，由该模型建立骨骼肌的力平衡方程，获得骨骼肌的理论力

【技术实现步骤摘要】
一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法


[0001]本专利技术涉及生物力学领域，具体涉及一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法。

技术介绍

[0002]随着机器人和计算机技术的发展，机器人辅助骨折复位手术成为可能。机器人骨折复位过程中，有可能由于过度牵拉损伤肌肉等软组织，有必要了解清楚肌肉所能允许的不损伤的最大拉伸长度，即肌肉许可伸长量，研究肌肉组织的力学模型及被动拉伸性能，对于设计医疗器械、规划骨折复位路径、指导外科手术有重要的意义。
[0003]关于骨骼肌的粘弹性模型，国内外大多采用Hill三元素模型或四元素模型，这些模型考虑了力
‑
阻尼元素、离心收缩时的力
‑
速度关系对肌肉力的影响，但未考虑骨骼肌的羽状角对肌肉力特性的影响，而下肢骨骼肌通常有0～30
°
羽状角，其对肌肉的力学特性的影响不能忽略。
[0004]关于肌肉组织拉伸性能，国内外大多用动物的肌肉组织，采用准静态拉伸或动态拉伸方法，测试肌肉拉伸时的力学性能。肌肉的准静态拉伸，即加载静态负载的拉伸，是利用生物材料试验机进行肌肉的准静态拉伸测试，分析拉伸时肌肉的断裂性能，该方法仅能得到肌肉在加载静态负载下的力学性能，无法用于了解肌肉在冲击加载条件下的动态力学性能。肌肉的动态拉伸，是利用霍普金森拉杆试验，进行肌肉的动态拉伸测试，获得肌肉动态拉伸过程中的应力
‑
应变变化情况，结果表明，肌肉受到外力牵拉时，首先发生弹性形变，随后进入塑形区，继续牵拉引起结构损伤，该方法可以获得肌肉受损时的应力和应变，而无法获得肌肉拉伸损伤时的肌肉长度。关于肌肉轴向拉伸过程中，肌肉所能允许的不损伤的最大拉伸长度，目前尚无合适的测试方法。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法，用于机器人骨折复位中可能对软组织过度牵拉的预警。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法，具体包括两个步骤：
[0008]1)建立骨骼肌的粘弹性模型，设定肌肉初始长度、肌肉长度增量，计算肌肉力随肌肉长度的变化情况，获得肌肉的理论力
‑
位移曲线；
[0009]2)利用肌肉拉伸的精密位移台实验系统，进行肌肉轴向低速拉伸，测试肌肉拉伸过程中所受到的力、肌肉伸长量，实时显示被测肌肉的实验力
‑
位移曲线，通过与肌肉的理论力
‑
位移曲线对比，确定被测试肌肉的许可伸长量。
[0010]所述骨骼肌的粘弹性模型，考虑了下肢骨骼肌的羽状角对肌肉力特性的影响，包括收缩单元CE、并联弹性单元PEE、串联弹性单元SEE、串联阻尼单元SDE以及羽状角α；所述收缩单元CE由肌球蛋白微丝与肌动蛋白微丝组成，主动产生肌力；所述并联弹性单元PEE由
肌束膜及肌纤维膜组成，其中的结缔组织具有弹性，当肌肉受拉时产生被动弹力；所述串联弹性单元SEE代表肌腱、肌节间Z盘及肌微丝组织，具有被动弹性；所述串联阻尼单元SDE能抑制高频振荡，所述羽状角α描述肌纤维的排列方向与肌肉力作用线之间的夹角。
[0011]所述肌肉的理论力
‑
位移曲线，是根据骨骼肌的粘弹性模型，建立力平衡方程；设定肌肉的初始长度、肌肉长度增量及激活程度参数，计算肌肉在不同长度下的肌肉力，获得肌肉的理论力
‑
位移曲线，将其作为确定肌肉许可伸长量的依据；包括以下两个步骤：
[0012]1‑
1)根据骨骼肌的粘弹性模型，建立力平衡方程，确定肌肉在拉伸过程中的肌肉力：
[0013][0014]式中，F
MTM
为肌肉力，F
CE
为收缩单元产生的力，F
PEE
为弹性单元产生的力，F
SEE
为串联弹性单元产生的力，F
SDE
为串联阻尼单元产生的力，α(l
CE
)为肌纤维与肌腱的夹角；
[0015]1‑
2)根据骨骼肌解剖结构，确定肌肉的起止点坐标，设定肌肉初始长度L0，按照等长递增，由上式计算骨骼肌不同长度L下的肌肉力F
MTM
，获得肌肉的肌肉力
‑
长度曲线；将肌肉长度转换为肌肉伸长量，获得肌肉的理论力
‑
位移曲线。
[0016]所述步骤2)具体包括如下步骤：
[0017]2‑
1)准备肌肉拉伸测试的精密位移台实验系统；
[0018]2‑
2)将待测试肌肉纤维试样的两端分别固定，调节精密位移台，使肌肉纤维试样处于自然伸直状态；
[0019]2‑
3)启动精密位移台，轴向拉伸肌肉纤维，分别由力传感器、精密位移台测试拉伸力和位移，上位机中绘制并实时显示肌肉的实验力
‑
位移曲线；
[0020]2‑
4)当实验力
‑
位移曲线开始出现水平时，停止精密位移台；
[0021]2‑
5)对比肌肉的实验力
‑
位移曲线与理论力
‑
位移曲线，确定肌肉的许可伸长量。
[0022]所述精密位移台实验系统，由软组织拉伸组件、力传感及采集组件、显示预警组件组成；所述软组织拉伸组件，包括左端夹具、高精密位移台、右端夹具、运动控制器，用于肌肉的轴向拉伸；所述力传感器及采集组件，包括力传感器、称重变送器、交直流转换器、数据采集卡，用于采集拉伸过程中的肌肉力，获得肌肉的实验力
‑
位移曲线；所述显示预警组件，包括上位机软件系统，用于对比拉伸过程中的实验力
‑
位移曲线与理论力
‑
位移曲线，显示、预警肌肉组织损伤临界点，以保证肌肉始终处于安全拉伸状态。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点：
[0024]1.本专利技术方法提出一种下肢骨骼肌的新型粘弹性模型，由该模型建立骨骼肌的力平衡方程，获得骨骼肌的理论力
‑
位移曲线；准备肌肉拉伸测试的精密位移台实验系统，轴向拉伸肌肉纤维，绘制肌肉的实验力
‑
位移曲线，实时对比实验曲线与理论曲线，获得肌肉许可伸长量；
[0025]2.本专利技术所述方法，用于获得肌肉的许可伸长量，据此可以避免过度牵拉而损伤肌肉。
附图说明
[0026]图1为本专利技术基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法的流程图。
[0027]图2为本专利技术的骨骼肌的粘弹性模型。
[0028]图3为本专利技术的由肌肉粘弹性模型计算的肌肉力
‑
长度曲线以及理论力
‑
位移曲线，以猪腿肌肉为例。其中，图3(a)为理论的力
‑
长度曲线图，图3(b)为理论的力
‑
位移曲线图。
[0029]图4为本专利技术的肌肉许可伸长量测试方法的流程图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法，其特征在于，具体包括两个步骤：1)建立骨骼肌的粘弹性模型，设定肌肉初始长度、肌肉长度增量，计算肌肉力随肌肉长度的变化情况，获得肌肉的理论力
‑
位移曲线；2)利用肌肉拉伸的精密位移台实验系统，进行肌肉轴向低速拉伸，测试肌肉拉伸过程中所受到的力、肌肉伸长量，实时显示被测肌肉的实验力
‑
位移曲线，通过与肌肉的理论力
‑
位移曲线对比，确定被测试肌肉的许可伸长量。2.根据权利要求1所述的基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法，其特征在于，所述骨骼肌的粘弹性模型，考虑了下肢骨骼肌的羽状角对肌肉力特性的影响，包括收缩单元CE、并联弹性单元PEE、串联弹性单元SEE、串联阻尼单元SDE以及羽状角α；所述收缩单元CE由肌球蛋白微丝与肌动蛋白微丝组成，主动产生肌力；所述并联弹性单元PEE由肌束膜及肌纤维膜组成，其中的结缔组织具有弹性，当肌肉受拉时产生被动弹力；所述串联弹性单元SEE代表肌腱、肌节间Z盘及肌微丝组织，具有被动弹性；所述串联阻尼单元SDE能抑制高频振荡，所述羽状角α描述肌纤维的排列方向与肌肉力作用线之间的夹角。3.根据权利要求1所述的基于骨骼肌模型的许可伸长量测试方法，其特征在于，所述肌肉的理论力
‑
位移曲线，是根据骨骼肌的粘弹性模型，建立力平衡方程；设定肌肉的初始长度、肌肉长度增量及激活程度参数，计算肌肉在不同长度下的肌肉力，获得肌肉的理论力
‑
位移曲线，将其作为确定肌肉许可伸长量的依据；包括以下两个步骤：1
‑
1)根据骨骼肌的粘弹性模型，建立力平衡方程，确定肌肉在拉伸过程中的肌肉力：式中，F
MTM
为肌肉力，F
CE
为收缩单元产生的力，F
PEE
为弹性单元产生的力，F
SEE
为串联弹性单元产生的力，F
SDE
为串联阻尼单元产生的力，α(l
CE
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷静桃，李亚男，张悦文，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：