一种在体骨关节应力分布检测方法与流程

文档序号:11893981阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,包括如下步骤:

S1检测人体在体骨关节处于不同位置时控制骨关节运动的肌肉的肌电信号变化,构建多通道肌电信息融合模型,对影响骨骼运动相关肌肉的神经生理变化信息进行获取和模式识别;

与此同时,利用在体骨关节各个骨骼及关节面及关节连接关系,构建骨关节影像学三维有限元模型,获取在体骨关节不同位置时的骨骼及其相邻骨的三维坐标参数;

S2根据肌电信息中反映控制骨关节运动的特征参数与“肌肉力-关节力矩”的映射关系,构建等动肌力模型,推算对骨关节负载的肌肉力和关节力矩;

S3在体骨关节处于不同位置时骨骼的生物力学变化,构建骨关节生物力学模型,以神经-肌肉-骨关节的力传导方式对在体骨关节的应力传递和分布情况进行检测。

2.根据权利要求1所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S1中,检测人体在体骨关节处于不同位置时控制骨关节运动的肌肉的肌电信号变化,构建多通道肌电信息融合模型,对影响骨骼运动相关肌肉的神经生理变化信息进行获取和模式识别具体为:

采集人体在体骨关节分别处于不同标准运动位时的表面肌电信号;对采集的表面肌电信号运用支持向量机构建肌电信号特征向量空间(xi,yi),其中xi为样本输入量,yi表示与xi对应的支持向量机的 期望值;根据Mercer定理在分类超平面H中采用q阶多项式核函数k(x,y)=[(x,y)+1]q来对肌电信号进行分类。

3.根据权利要求2所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,所述表面肌电信号包括主肌肉激活时序、时程,不同肌肉间协调模式,振幅值。

4.根据权利要求2所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,采集人体在体骨关节分别处于不同标准运动位时的表面肌电信号具体方法为每块肌肉上沿肌群方向贴表面电极三片,中间为参考电极,间隔为2cm。

5.根据权利要求2所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S1中,在根据Mercer定理在分类超平面H中采用q阶多项式核函数k(x,y)=[(x,y)+1]q来对肌电信号进行分类中,引入松弛因子ζ构建惩罚函数来提高肌电信号的特征提取与识别的精度。

6.根据权利要求1所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S1中,利用在体骨关节各个骨骼及关节面及关节连接关系,构建骨关节影像学三维有限元模型,获取在体骨关节不同位置时的骨骼及其相邻骨的三维坐标参数的方法具体为:

以骨关节的骨骼整体模型为参照坐标利用三维CT断层扫描技术采集人体在体骨关节分别处于不同标准运动位时的CT图像;进一步利用对CT图像进行处理再现其骨性结构的三维形态,并以此构建网格优化的骨关节数字模型,将此模型构建皮质骨、松质骨、骨髓腔、韧带群、关节软骨和三角纤维软骨的体模型,进而构建骨关节三维有 限元模型。

7.根据权利要求1所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S2中,根据肌电信息中反映控制骨关节运动的特征参数与“肌肉力-关节力矩”的映射关系,构建等动肌力模型,推算对骨关节负载的肌肉力和关节力矩具体为:

构建肌电信号振幅值u与肌肉收缩力FAm的正相关性指数函数关系式a(u)=(eωuR-1-1)/(eω-1),其中R为肌电信号振幅值u的最大值,ω为肌肉活动程度因子,-5<ω<0;

运用串联弹性元-并联弹性元-收缩元的三元素Hill模型为基础构建肌肉模型,然后分别对所构建的肌肉模型求解出肌肉力-长度曲线函数f(Lm),并对肌肉模型求解肌肉力-速度曲线函数fv(vm),再结合最大等长肌力FOm,求解出并联弹性元肌肉力FPm=f(Lm)FOm和收缩元肌肉力FAm=a(u)fv(vm)f(Lm)FOm,进而通过并联弹性元肌肉力FPm与收缩元FAm直接求和得到肌肉肌力Fm

最后在t时刻当骨关节处于某一具体位置时,对于以Fnm为肌肉肌力和以rn(t)为关节力臂长度的骨关节力矩G(t)=F1m(t)r1(t)+F2m(t)r2(t)+…+Fnm(t)rn(t),其中n为与骨关节相关的肌肉总数目。

8.根据权利要求1所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S3中,在体骨关节处于不同位置时骨骼的生物力学变化,构建骨关节生物力学模型,以神经-肌肉-骨关节的力传导方式对在体骨关节的应力传递和分布情况进行检测的方法为:

构建步骤S2得到的等动肌力模型与步骤S1得到的骨关节影像学 三维有限元模型的关系映射函数T,进行两模型坐标系的矩阵转换,对坐标转换后的等动肌力模型进行生物力学有限元处理,从而把骨关节力矩G(t)作为载荷精确加载到骨关节三维有限元模型构建出骨关节生物力学模型,最后利用生物力学有限元计算出骨关节分别处于不同运动位时骨骼及其相邻骨所受应力及应力分布。

9.根据权利要求8所述的在体骨关节应力分布检测方法,其特征在于,步骤S3中,在进行两模型坐标系的矩阵转换中,通过引入最小二乘法来减少坐标转换的误差。

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