تخمین نیروی عضلات در هنگام حرکت بر پایه مدل سمینار درس مدلسازی به نام خدا مروری بر تخمین نیروی عضلات در هنگام حرکت بر پایه مدل سمینار درس مدلسازی نام استاد : آقای دکتر توحید خواه نام ارائه کننده : شعیب شیرین پور 85133009

عناوین چکیده 1- مقدمه 2- دینامیک های اسکلتی – عضلانی 2-1- معادلات حرکت 2-2- کوپلینگ عضله – اسکلت 2-3- مدلسازی عضله 2-4- حل مستقیم 2-5- حل معکوس 3- تخمین نیروی عضله 3-1- بهینه سازی استاتیک بر پایه دینامیک معکوس 3-2- data tracking با کمک دینامیک مستقیم

چکیده تخمین نیروهای عضلات در هنگام حرکت انسان دیدی را در مورد نحوه کنترل عصبی ارائه کرده تشخیص و درمان بیماری های عصبی و ارتوپدی اندازه گیری مستقیم نیروهای عضلات با استفاده از امکانات کلینیکی راحت نبوده و بنابر این روشهای غیرتهاجمی بر پایه مدلسازی اسکلتی عضلانی باید به کارگرفته شود

1- مقدمه نیروی خروجی عضله قلبی می تواند به سادگی توسط ثبت فشار سرخرگی اندازه گیری شود .در مورد به دست آوردن اطلاعات در مورد عملکرد عضلات اسکلتی کار بسیار پیچیده تر است . اندازه گیری مستقیم نیروهای عضلات در بدن معمولا به طور تهاجمی در تاندونهای سطحی است . با توجه به اینکه چنین روشهایی با استفاده از امکانات کلینیکی ساده نیست اندازه گیری نیروی تاندون به طور گسترده درتحقیقات آزمایشگاهی مورد استفاده واقع می شوند

2- دینامیک های اسکلتی – عضلانی حرکت دینامیک انسان توسط فعالسازی عضلات پدید می آیدکه باعث تولید نیرو شده و مفاصل را به طور کنترل شده به حرکت در می آورد ودر نتیجه اعمال خواسته شده صورت می پذیرد . اغلب این اعمال در برابر نیروهای خارجی نیز صورت می پذیرد . حاصل تمام این پروسه به خواص تولید نیروی عضلات، خواص آناتومیکی سیستم اسکلتی و سیستم کنترلی عصبی بستگی دارد

بنابراین اگر بخواهیم که تکنیک های تخمین نیروی عضلات را بررسی نمائیم باید با روابط بین این مکانیسم ها آشنا شویم . توضیح خلاصه ایی از مدلسازی این عناصر در ادامه بررسی می شود .

2-1- معادلات حرکت یک سیستم اسکلتی – عضلانی را که درجه آزادی آن یک مجموعه n تایی از زوایای مفصل q است رادر نظر می گیریم . ارتباط بین حرکت و نیروی عضله در یک مدل اسکلتی-عضلانی (شکل 1-a) به صورت ماتریسی طبق معادله (1) بیان می شود (Pandy, 2001).

معمولا تعداد نیروهای عضلات مجهول بیشتر از تعداد معادلات است بنابراین یاباید m را توسط ترکیب عضلات کاهش داد و یا اینکه باید از یک متودولوژی بر پایه اصول بهینه سازی استفاده کرد . در نمونه شکل (1-b) معادلات سیستم کاهش یافته و درجه آزادی سیستم و نیروهای عضلات با هم برابرمی شوند .

2-2- کوپلینگ عضله-اسکلت مبدا و مکان قرارگیری عضلات مورد مطالعه بازوهای جنبشی را در مفاصلی که در آن امتداد دارند تعریف می کند . این بازوی جنبشی ضرب در نیروی تولید شده توسط عضله، دامنه نیروی عضله است که منجر به گشتاور مفصل و چرخش آن می شود ، بازوهای جنبشی به طور کلاسیک به فاصله بین محور فعالیت یک عضله و محور چرخش مفصل گفته می شود . همانطور که در معادله (1) نیز آمده است این فاصله می تواند به زاویه مفصل بستگی داشته باشد .

2-3- مدلسازی عضله دامنه نیروی عضله به سطح فعالیت (از دینامیک فعالیت ، معادله 4-a ) و خواص تولید نیرو که توسط روابط نیرو-طول فیبر و نیرو-سرعت فیبر تعریف می شود بستگی دارد ( معادله 4-b و شکل 2) . همچنین خواص تاندون که به صورت سریال به عضله متصل اند نیز مهم است (Zajac, 1989) Zajac (1989) مدل مشهور Hill برای عضله را مطرح نمود که به طور کلی به دوشکل بیان می شود :

2-4- حل مستقیم معادلات سیستم (معادله 1یا2) ارتباط بین حرکت اسکلت و نیروهای عضله یا گشتاور مفاصل را بیان می کنند . چگونگی استفاده از این معادله به مسئله کلینیکی یا تحقیقی مطرح شده و در دسترس بودن اطلاعات تجربی یا اطلاعات اولیه ایی در مورد حرکت بسنگی دارد . وقتی که تحریکات عضله یا گشتاورهای مفصل در دسترس بوده یا فرض شده اند می توان از روش دینامیک مستقیم استفاده کرد که از معادلات سیستم برای محاسبه الگو های حرکت استفاده می کند .(شکل 3-a) :

این دیدگاه از این جهت که حرکت را پیش بینی می کند مفید است این دیدگاه از این جهت که حرکت را پیش بینی می کند مفید است . اما هنوز اطلاعات اولیه صحیح در مورد نیروهای عضلات یا گشتاورهای مفصل کم است که استفاده از این تکنیک به تنهایی را مشکل می کند . ولی می توان از این زوش همراه با بهینه سازی ، برای تخمین نیرو های عضلات استفاده نمود .

2-5- حل معکوس روش دینامیک معکوس به دلیل موجود بودن اطلاعات کینماتیکی مفاصل و نیروهای عکس العمل زمین یک روش روتین در تخمین نیروی عضلات به شمار میرود . می توان گشتاور مفاصل را با استفاده از باز نویسی معادله (2) به دست آورد (شکل 3-b) :

علیرغم آنکه معادله (6) دینامیک سیستم برای حل گشتاور مفاصل را نشان می دهد اما در عمل به ندرت از آن استفاده می شود . در عوض گشتاور مفاصل معمولا از معادلات حرکت یک سگمنت منفرد حاصل می شود 2005) (Winter, . یک استثنا کار انجام شده توسط Kuo (1998) است که معادله (6) را برای مدل یک بدن کامل به کار گرفت .

3- تخمین نیروی عضله تخمین نیروهای عضلات برپایه مدل معمولا بدون توجه به استراتژی (دینامیک معکوس یا مستقیم ) نیاز به بهینه سازی دارد . به کارگیری هریک از دوروش دینامیکی معکوس یا مستقیم معمولا به دردسترس بودن اطلاعات تجربی وابسته است .

3-1- بهینه سازی استاتیک بر پایه دینامیک معکوس 3-2- data tracking با کمک دینامیک مستقیم 3-3- استراتژی های کنترل بهینه

منبع Review Model-based estimation of muscle forces exerted during movements Ahmet Erdemir a, Scott McLean a, Walter Herzog b, Antonie J. van den Bogert a,* a Department of Biomedical Engineering (ND-20), The Cleveland Clinic Foundation, 9500 Euclid Avenue, Cleveland, OH 44195, USA b Human Performance Laboratory, The University of Calgary, Calgary, AL T2N 1N4, Canada