基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.22.015

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (22): 4091-4098.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.22.015

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性

尹传盛¹，孙芳²，贺缨¹，邵宏伟¹

1中国科学技术大学近代力学系，安徽省合肥市 230027
2上海硅步科学仪器有限公司，上海市 200030

出版日期:2013-05-28 发布日期:2013-05-28
通讯作者: 贺缨，博士，教授，中国科学技术大学近代力学系，安徽省合肥市 230027 yhe@ustc.edu.cn
作者简介:尹传盛★，男，1990年生，汉族，2012年中国科学技术大学毕业，中国科学技术大学在读硕士。 ycs0522@gmail.com
基金资助:
本课题部分工作获得中央高校基本业务费的支持(WK2100230009)。

Dynamical chanracteristics of index finger in response to cold water stimulation: Analysis based on Anybody platform

Yin Chuan-sheng¹, Sun Fang², He Ying¹, Shao Hong-wei¹

1 Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui Province, China
2 Shanghai Gaitech Scientific Instruments Co., Ltd., Shanghai 200030, China

Online:2013-05-28 Published:2013-05-28
Contact: He Ying, M.D., Professor, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui Province, China yhe@ustc.edu.cn
About author:Yin Chuan-sheng★, Studying for master’s degree, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui Province, China ycs0522@gmail.com
Supported by:
The Fundamental Research Funds for Central Universities, No.WK2100230009*

摘要/Abstract

摘要：

背景：Anybody人体建模仿真系统是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，并且是目前惟一可以分析完整骨骼肌肉系统的软件，利用它可以计算模型中骨骼、肌肉、关节的受力变形。
目的：实验旨在通过计算模型观察手指在冷水刺激环境下食指的灵活性。
方法：参照以往人食指运动实验结果，获得人食指弯曲的运动学参数，利用Anybody软件平台构建正常人手部握拳运动学模型，并进一步构建了包含两根外屈肌(指浅屈肌和指深屈肌)的骨骼肌肉模型，通过逆向动力学分析，考察受冷水刺激前后手部握拳运动时肌肉力和收缩功率等的变化。
结果与结论：冷水刺激后，食指各关节在屈伸过程中的平均角速度较冷水刺激前变小，指浅屈肌的肌肉力变化幅值也较冷水刺激前增大；指深屈肌的收缩功率下降明显，而指浅屈肌收缩功率变化不大。结果证实，冷水刺激会使正常人手握拳动作变慢，且正常人手的指浅屈肌对冷水刺激更敏感，进一步说明指浅屈肌在握拳动作中的重要性。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节生物力学, Anybody软件平台, 食指, 运动学, 动力学, 冷水刺激, 肌肉力, 指浅屈肌, 指深屈肌, 近指关节, 远指关节, 其他基金

Abstract:

BACKGROUND: Anybody human modeling and simulation system is a computer-aided ergonomics and biomechanical analysis software, and it is the only software that can analyze the musculoskeletal system completely which can be used to calculate the force deformation of bone, muscle and joint.
OBJECTIVE: To investigate the index finger dexterity after cold water stimulation using computing model.
METHODS: Based on the available data of the experiment about the index finger movement, the kinematic parameters of index finger in the movement were achieved. Subsequently, a clench fist kinematic model of hand was established with Anybody platform, and then a musculoskeletal model consisting of the extrinsic flexor muscles (flexor digitorum profundus and flexor digitorum superficialis) was developed to describe the changes of muscle force and contraction power in clench fist movement before and after cold simulation through inverse dynamics analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: After the cold water stimulation, the average angular velocities of the three joints of index finger were decreased during the flexing movement compared to those before cold water stimulation, and the muscle force of flexor digitorum superficialis was increased significantly in the flexing process. The contract power of flexor digitorum profundus decreased obviously, whereas the contract power of flexor digitorum superficialis was decreased slightly. The results indicate that the finger movement takes more time and the muscle force of flexor digitorum superficialis is more sensitive to the cold stimulation, which further indicates the importance of flexor digitorum superficialis in clench fist movement.

Key words: bone and joint implants, bone and joint biomechanics, Anybody platform, index finger, kinematics, dynamics, cold water stimulation, muscle force, flexor digitorum profundus, flexor digitorum superficialis, distal interphalangeal joint, proximal interphalangeal joint, other grants-supported paper

中图分类号:

R318

尹传盛，孙芳，贺缨，邵宏伟. 基于Anybody软件平台冷水刺激前后食指动力学的特性[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(22): 4091-4098.

Yin Chuan-sheng, Sun Fang, He Ying, Shao Hong-wei. Dynamical chanracteristics of index finger in response to cold water stimulation: Analysis based on Anybody platform[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(22): 4091-4098.

图/表（结果） 4

2.1 冷水刺激前后食指关节角度变化 图3显示了冷水刺激前后握拳及伸展运动过程中，3个关节角度随时间的变化。红线是冷水刺激后，黑线是冷水刺激前的食指关节角度变化。在弯曲运动中，3个关节角度逐渐变小，到握拳时达到最小；在伸展运动中，角度又逐渐增加。通过对比发现，红线达到最小角度所需时间比黑线要长，冷水刺激后，3个关节达到最小的时间都变长，说明冷水刺激后握拳花费了更多时间；无论刺激前后，在整个握拳运动中近指关节的角度θ2变化最大，说明近指关节最灵活。图4显示了冷水刺激前后掌指关节(θ3)的角速度随时间的变化。可以看出，冷水刺激后，指掌关节的平均角速度较冷水刺激前降低，且瞬时角速度变化范围增大，说明冷水刺激后的握拳动作较不平稳。

2.2 冷水刺激前后食指肌肉力对比 见图5。

图5显示，握拳运动中，冷水刺激后指深屈肌无明显变化。而指浅屈肌的最大值在冷水刺激前为1.3 N，在冷水刺激后为1.6 N。
在握拳结束时，指浅屈肌力随着时间的增加而升高。说明冷水刺激后指浅屈肌肌肉力增大，尤其在握拳的最后，有明显的上升，由此可以认为指浅屈肌对冷水刺激更敏感。
2.3 冷水刺激前后肌肉收缩速度和收缩功率对比 通过对指浅屈肌和指深屈肌的收缩速度的计算可以发现，刺激前后，指深屈肌和指浅屈肌的收缩速度都是随时间先下降后上升。
冷水刺激后，在握拳运动初期，指浅屈肌和指深屈肌的收缩速度较冷水刺激前没有明显下降，但在握拳运动后期(0.2 s以后)，指浅屈肌和指深屈肌的收缩速度都较冷水刺激前明显降低见图6

图7为冷水刺激前后指深屈肌和指浅屈肌的最大收缩功率变化。冷水刺激前，指深屈肌和指浅屈肌收缩功率的最大值大体相同，为0.04 W；冷水刺激后，指深屈肌收缩功率的最大值为0.025 W，指浅屈肌收缩功率的最大值为0.03 W。
可以看出，刺激后，指浅屈肌和指深屈肌的最大收缩功率都较刺激前有所降低，但指深屈肌的最大收缩功率降低幅度更大。

参考文献

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引言

研究血液流动和神经刺激与手指运动特性的相互关系，可以在临床治疗方面为保护手的功能，脑卒中康复运动训练提供理论基础。黄力平等^[1]通过磁源性影像技术研究了在食指反复屈伸运动时的脑增龄性变化神经机制，提出了运动功能减退的特征，指出长期反复运动有利于延缓脑运动控制功能的减退速度。在李艳等^[2]的研究中，通过核磁共振成像研究了不同手指运动与大脑皮质不同运动区的关系，指出不同模式手指运动总能激活初级感觉运动皮质，与肌肉运动直接相关。翟洪昌等^[3]运用比较聚类和多重线性回归的统计方法对成人手指运动时脑功能成像数据进行了分析，获得了不同脑区对运动准备和运动执行反应的BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent)曲线，为探讨运动学习的脑功能活动提供了有效的方法。研究手指运动的灵活性对开发新一代假肢和改善机械手的设计与控制都有非常积极的作用。
Bundhoo等^[4]研发的新型康复机械食指由柔性连接材料和形状记忆合金组成，包含有3个主动和一个被动自由度，通过微型驱动器可以完成自然的关节运动。这一仿生食指正是基于人手的肌肉，肌腱的相互作用发展而来。通过采集人的手指运动图像并进行图像处理，对手指运动轨迹进行再现可以为机械手的优化设计和轨迹优化设计提供理论帮助^[5] 。一种包含3个手指，能够完成握，捏，腕部屈曲和旋转的灵巧机械手的运动轨迹即是基于指尖运动轨迹设计而成^[6] 。对食指的建模目前己有文献报道。刘博等[^7]通过对食指指尖运动空间的研究，确定了食指指骨与掌骨连接处的铰链先后次序。为了模拟指尖和外部载荷的相互作用，Wu等^[8]发展了包含骨头，指甲，软组织和钢板的二维有限元指尖模型，第一次定量分析了指尖受到外部振动载荷时指尖软组织的应力变化。Wu等^[9]根据食指解剖学特点，提出了包含3个关节，7条肌肉的手指动力学模型，基于Anybody软件模拟了手指敲击键盘时肌肉力随时间的变化，指出手指敲击键盘时的肌肉力和关节扭矩与指尖的冲击力相关。因此实际键盘操作时试图减少指尖的冲击力有利于减少操作人员手的肌肉骨骼负荷和疲劳。Kampar等^[10]提出了一种考虑肌肉参与食指运动模型。此模型包含了3个关节，4个节段，通过滑轮铰链相连接，关节处的被动扭矩通过实验拟合的公式获得。基于这一建模方法，邵宏伟等^[11]建立了类似的
滑轮铰链食指简化模型，研究了冷水刺激对握拳运动时肌肉力的影响。在手功能康复机器人系统若干关键技术研究中^[12] ，分析了食指指伸肌，指屈肌以及肌腱作用力的对应关系，并由此设计了手功能康复机器人控制系统。Yokogawa等^[12]测量了5位被测者食指在不同方向的最大肌肉力分布，发现不同被测者的食指最大肌肉力分布都非常相似，并得出结论，食指对肌肉的控制信号在不同人群中都是相同的。Falero Cuevas^[13]在食指模型中分析了肌肉-骨骼-韧带的相互作用并分析了神经控制对肌肉的影响。Miyata等^[14]的食指模型可以分析食指在任何位置的最大肌肉力，他们还通过核磁共振测量了手指的运动学特性^[15] 。
综上所述，对食指运动学和动力学特性的研究的主要目的是希望能够设计出跟人手接近的灵巧机械手或康复训练装置。由于手的解剖学结构和运动的复杂性，以往研究较少考虑环境刺激对手运动机能的影响且真实模拟程度有所欠缺。因此，实验希望通过食指生物力学建模，建立关于手指灵活度的评价指标，为保护或恢复手指的运动功能提供理论依据。

材料方法

设计：生物力学，计算机模拟实验。
时间及地点：建模工作于2011年6至10月分别在上海硅步仪器公司和中国科学技术大学生物力学实验室完成。
材料：
Anybody软件平台：Anybody人体建模仿真系统是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，是目前惟一可以分析完整骨骼肌肉系统的软件，可以计算模型中骨骼、肌肉及关节的受力变形。Anybody提供的人体模型库为一些人体建模问题提供了很好的通用解决方案，例如：上下肢骨骼模型，手指模型及关节驱动器模型，肌肉模型等。
方法：
食指骨骼肌肉模型的设计：通过Anybody软件重新建立真实的食指骨骼肌肉模型，分析了在自然状态下食指屈伸过程中的运动学特性，并考察了冷水刺激对食指的运动特性的影响程度。进一步，通过建立一个包含2根肌肉的食指骨骼肌肉模型，对食指刺激前后的动力学特性进行了分析。
手部握拳运动学模型的建立：Anybody软件包括了建模和计算功能。在建模功能中，可以从模型库中调用模型，调整姿势和与环境交互。而计算功能则包括常规，参数和择优计算。建模步骤包括，建立手部骨骼模型，添加关节驱动器，获得手部运动模型，建立食指骨骼肌肉模型并进行逆向动力学分析。Anybody软件平台中包含了如人体骨骼，上下肢等各种模型，可以直接从模型库中调用。调用手部骨骼模型后，在相应位置添加关节驱动器，则食指的骨骼模型建成。这些步骤可以在Anybody软件平台中较快实现。之后需要获得食指骨骼模型的运动参数。类似于文献[6, 11]的方法，首先通过实验获得食指运动视频并基于Matlab的图像处理程序提取食指运动视频中各个关节在握拳运动不同时间的位置参数；进而通过对运动学参数进行拟合获得食指各自由度间的相互关系。在模型中，食指运动确定为3个自由度θ1，θ2，θ3的变化，见图1。

对远指关节θ1的傅里叶级数拟合曲线为：

根据解剖学结构，手部有5条主要肌肉，3条肌腱。因为只研究握拳运动，所以对肌肉模型进行了简化处理，选取主要控制食指弯曲运动的两块肌肉，即指浅屈肌(flexor digitorum superficialis，FDS)和指深屈肌(flexor digitorum profundus，FDP)。指浅屈肌附着在第2个关节(近指关节)上，而指深屈肌附着在第一个关节(远指关节)上。通过逆向动力学分析，获得动力学参数。图2为基于Anybody所建的食指骨骼肌肉模型，图2A，B分别表示食指弯曲运动时的不同位置。所选用的肌肉模型为模型库中的线性肌肉模型AnyMuscleModel。其中生理横截面积为178 mm²，肌肉强度为160.2 N。

主要观察指标：通过Anybody软件平台的计算功能，针对所建立的食指骨骼肌肉模型分析冷水刺激前后的各个关节角度，肌肉力，肌肉收缩速度以及收缩功率的变化。

讨论

实验利用Anybody人体建模平台获得了食指骨骼肌肉模型，根据食指屈伸过程的运动学轨迹，通过对不同外部条件下握拳运动的逆向动力学分析了冷水刺激前后的肌肉力，肌肉收缩速度以及收缩功率的变化。
结果发现，在冷水刺激前后，近指关节(第2个关节)的角度变化最显著，在握拳运动中最灵活。并且因为指浅屈肌主要控制近指关节的屈伸，所以驱动食指弯曲的力主要集中在肌肉指浅屈肌上，使得指浅屈肌上肌肉力大于指深屈肌的肌肉力。
此外，冷水刺激后，指浅屈肌和指深屈肌对外做功功率和肌肉收缩速度都有所降低，这是由于血管收缩，血流量减小，肌肉获得能量减少所致。在相对较少的肌肉能量下，在握拳后期指浅屈肌的肌肉力明显增大，保证了指浅屈肌的最大收缩功率不至于下降过大，以便完成握拳动作，这也许与脑部运动神经控制机能相关。这还需要在今后的工作进行更深入的研究。近年来，有关人手指运动学模型的研究如下：(按主题排序)：

按近年来，有关人手指运动学模型的研究如下：(按下载量排序)：

验结果验证了本课题组较早运用简化的滑轮铰链模型所获结果^[11] 。同时，基于Anybody平台的食指模型避免了使用如滑轮铰链模型中所用的被动扭矩经验公式，更有利于实际应用。由于在骨骼肌肉模型中只考虑了指浅屈肌和指深屈肌2条肌肉，目前只能模拟弯曲过程。在进一步的工作中，将会在现有骨骼肌肉模型添加其他手指肌肉，包括：指深肌，骨间肌和蚯状肌，并与神经控制模型相结合，进一步考察受冷水刺激前后，手部肌肉收缩与大脑兴奋程度之间的关系。同时，可以通过实验监测手指屈伸运动过程中血液灌注率的变化，并与肌肉力的变化进行对照，探讨肌肉力与血流变化的相关性。
本次实验只采用了冷水温度为10 ℃时的食指运动轨迹为输入参数，今后可以进一步完善冷水刺激实验，考察当冷水刺激时间延长及冷水温度进一步降低时，食指的运动模式，肌肉力和肌肉收缩速度等的变化。由于冷环境会影响运动功能，造成指尖关节和掌指关节伸展困难，而当环境温度上升时，手指运动功能又会恢复。这与手功能障碍患者临床表现出的屈曲挛缩有类似之处。如能详细了解不同程度冷水刺激时的食指运动模式和肌肉群的收缩程度，则可以为了解上肢残疾患者的手功能障碍提供一些定量的参考，设计出有效抑制屈曲挛缩的康复治疗方案，为开发手功能康复设备提供理论依据。

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延伸阅读

1文章构思特点
已有研究表明，不同手指运动模式总能激活大脑皮质的初级感觉运动区，与肌肉运动直接相关；长期反复的手指运动有利于延缓脑运动控制机能的减退速度。同时，研究手指运动的灵活性对开发新一代假肢和改善机械手的设计与控制都有非常积极的作用。本文的研究目的是通过力学建模分析外部环境刺激对食指运动灵活性的影响。由于手指微血管受外部冷刺激后会收缩而引起供血减少，从而对肌肉运动产生影响，因此，在本研究中，首先从已有的文献中获得冷水刺激前后的食指运动轨迹，再通过逆动力学分析获得冷水刺激前后不同手指肌肉力的变化，希望由此进一步研究血流变化与肌肉运动的相关性。
2中文内容介绍
根据已有食指运动实验结果，获得食指弯曲运动参数，利用Anybody软件平台构建手部握拳运动学模型，并进一步构建了包含两根外屈肌（指浅屈肌和指深屈肌）的骨骼肌肉模型，通过逆向动力学分析，主要考察了受冷水刺激前后手部握拳运动时肌肉力和收缩功率的变化。结果表明，冷水刺激后，食指各关节在屈伸过程中的平均角速度较冷水刺激前变小，指浅屈肌的肌肉力变化幅值也较冷水刺激前增大。表明冷水刺激会使握拳变慢，且指浅屈肌对冷水刺激更敏感，也证实了之前利用滑轮铰链模型所得结论。
3本文创新点：
（1）检索数据库：CNKI同方期刊及学位论文；维普中文科技期刊，SCIE
检索时间：2011年5月至7月
检索关键词：人手；指掌关节；运动学模型；运动功能减退；增龄；皮质运动区；功能磁共振；手指运动；artificial finger；biomimetic design; joints; muscles; index finger; muscle force;simulation
（2）创新点：基于真实结构的食指肌肉骨骼模型分析了外部冷环境刺激对食指运动灵活性的影响

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Dynamical chanracteristics of index finger in response to cold water stimulation: Analysis based on Anybody platform

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