国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

被動式負(fù)重外骨骼站立承重性能評估

2022-02-23 02:46:08崔銀平楊國慶馬千里郭曉東陳永清
醫(yī)療衛(wèi)生裝備 2022年1期
關(guān)鍵詞:肌電值方肌耗氧量

崔銀平,楊國慶,馬千里,郭曉東,朱 革,陳永清,袁 博*

(1.重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶北部寬仁醫(yī)院,重慶 401121;3.江西泰豪軍工集團有限公司,南昌 330096)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代運輸能力得到大幅度的提升,但在特定的環(huán)境條件下,例如,在交通不暢的高寒邊防或地震、火災(zāi)現(xiàn)場,常規(guī)的運輸工具無法施展,人力運輸仍然是最有效的運輸方式[1-3]。當(dāng)背負(fù)負(fù)載過多時,負(fù)載會對人體肩部皮膚與軟組織造成過度壓迫,影響周邊神經(jīng)與血管,從而產(chǎn)生明顯的肩部不適和疼痛等現(xiàn)象[4-7]。有研究表明,背負(fù)10 kg的背囊會造成肩部肌肉含氧量以及皮膚血管的血流量明顯減少,背負(fù)等同于20%身體質(zhì)量的背囊會影響攜行者的耗氧量與疲勞度[8-9],過多的負(fù)重還會影響行進中的軀干平衡,長時間的負(fù)重會對人體生理功能甚至結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[10]。因此,有必要采取有效的措施減少負(fù)重過程對人體的負(fù)面影響。

負(fù)重助力外骨骼是一種能有效減輕負(fù)重對人體負(fù)面影響的設(shè)備[11],本課題組已研究了一種被動式負(fù)重外骨骼。到目前為止,國內(nèi)外對負(fù)重外骨骼開展了一系列負(fù)重行走實驗與評估的研究[12-14],但對其承重效果的評估不夠全面。為進一步弄清楚人體使用被動式負(fù)重外骨骼在站立負(fù)重時的承重和助力機制及其改進方向,進一步優(yōu)化負(fù)重外骨骼的承重結(jié)構(gòu),本研究對其進行站立承重性能評估。

1 實驗方法

1.1 被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)

被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由綁縛機構(gòu)、背囊、背架、腰部組件、腿部組件、踝關(guān)節(jié)組件和鞋套組成。該外骨骼共有13個自由度,總質(zhì)量4.9 kg,尺寸可滿足身高165~185 cm的男性穿戴者。

該外骨骼自由度如圖2所示,其中腰部自由度是為了滿足人體正?;顒又行刈底笥覀?cè)身動作不受限制;髖關(guān)節(jié)3個自由度分別對應(yīng)前屈和后伸動作、外展和內(nèi)收動作、旋內(nèi)和旋外動作;膝關(guān)節(jié)自由度滿足屈曲和伸直動作;踝關(guān)節(jié)自由度滿足背屈和趾屈動作以及外展和內(nèi)收動作。

圖1 被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 被動式負(fù)重外骨骼自由度示意圖

1.2 站立承重實驗

7名受試者在不穿外骨骼無負(fù)重、穿戴外骨骼負(fù)重、不穿外骨骼負(fù)重3種不同條件下依次接受測試。負(fù)重為25 kg制式背包。受試者需要在每種受試條件下保持靜止站立10 min,同時進行肌電信號、肩部壓力、能量消耗測試。測試場景如圖3所示。每位受試者需休息30 min以上再進行下一個受試條件測試,以保證受試者的體能恢復(fù)。

圖3 測試場景

1.2.1 受試者

本實驗共招募7名健康成年男子作為受試者,受試者基本信息見表1,平均年齡(25±4)歲,身高(178.14±6.31)cm,體質(zhì)量(72.21±11.59)kg,受試者的身高、體質(zhì)量均滿足被動式負(fù)重外骨骼樣機尺寸調(diào)節(jié)范圍。所有受試者身體健康,在測試前3個月均沒有與肌肉骨骼系統(tǒng)相關(guān)的疾病或損傷,且在參與本實驗前充分了解實驗內(nèi)容與測試項目。

表1 受試者基本信息

1.2.2 肌電信號采集

使用美國Noraxon公司的16路信號通道Noraxon-DTS系列無線表面肌電采集系統(tǒng)進行肌電信號采集。肌電信號數(shù)據(jù)通過工作站的MR 23軟件以2 000 Hz采樣頻率采集,數(shù)據(jù)采集時長為60 s。電極貼使用一次性雙極電極貼,貼片位置分別為左右兩側(cè)斜方肌和豎脊肌,如圖4所示。貼片前先用75%的醫(yī)用酒精擦拭皮膚表面,去除黏附在皮膚表面的油污,待皮膚干燥后再貼上電極貼。

1.2.3 肩部壓力測量

圖4 測試肌肉位置

使用蘇州能斯達電子的DF9-40系列柔性薄膜壓力傳感器和八通道模擬信號采集卡MY2901測量肩部接觸壓力,將數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與計算機連接可直接讀取AD值數(shù)據(jù)和參考壓力值。肩部壓力傳感器布局位置如圖5所示,分別為左右兩側(cè)的肩胸、前肩、肩頂、肩背8個位置。采集卡設(shè)置采樣頻率為2 Hz,待壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄10 min內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。

圖5 肩部壓力傳感器布局位置

1.2.4 能量消耗測試

使用Carefusion公司的Oxycon Mobile運動心肺功能測試儀測量受試者不同條件下站立姿態(tài)過程中的耗氧量和二氧化碳呼出量,通過耗氧量和二氧化碳呼出量計算出能量消耗功率。測試前對設(shè)備進行提前標(biāo)定和氣體含量標(biāo)定,確保測試過程中的參數(shù)精準(zhǔn)。呼吸面罩穿戴過程中,要確保面罩與受試者臉部皮膚之間沒有任何泄漏空間。記錄受試者在不同受試條件下10 min內(nèi)的耗氧量與二氧化碳呼出量,并利用Start JLad軟件計算平均值作為數(shù)據(jù)樣本。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

1.3.1 肌電信號

本實驗提取肌電信號時域特征積分肌電(intergrated electromyogram,iEMG)值來反映負(fù)重過程中肌肉的發(fā)力情況,計算公式如下:

表2 受試者斜方肌和豎脊肌肌肉活動測試結(jié)果

式中,xi為采集的時間序列肌電信號;i=0,1,2,…,N-1,為一長度為N的時間序列。

1.3.2 肩部壓力

根據(jù)測得的參考壓力值數(shù)據(jù),求得每個部位壓力值的平均值作為數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3.3 能量消耗

根據(jù)Collins[15]的研究,可以計算出在3種不同條件下站立負(fù)重時單位體質(zhì)量的平均能量消耗功率H:

式中,H為能量消耗功率,單位為W/kg;VO2為耗氧量,VCO2為二氧化碳呼出量,單位均為mL/s;m為受試者體質(zhì)量,單位為kg。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 26.0軟件對肌電信號和能量消耗功率數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗,檢驗穿戴外骨骼在站立負(fù)重時對肌肉活動和能量消耗功率的影響是否具有顯著性,P<0.05表示差異具有顯著性。

2 結(jié)果

2.1 肌肉活動

本實驗中測量的人體肌肉包括左斜方肌、左豎脊肌和右斜方肌、右豎脊肌,實驗結(jié)果見表2。左斜方肌不穿外骨骼負(fù)重時,平均積分肌電值為(23.62±6.14)μV,而穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為(6.40±1.97)μV,穿戴外骨骼使左斜方肌肌電強度降低72.90%(P=0.018)。右斜方肌不穿外骨骼負(fù)重時,平均積分肌電值為(24.93±7.28)μV,穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為(8.86±2.52)μV,穿戴外骨骼使右斜方肌肌電強度降低了64.46%(P=0.030)。左豎脊肌不穿外骨骼負(fù)重時,平均積分肌電值為(7.17±1.39)μV,穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為(12.50±3.15)μV,穿戴外骨骼不能降低左豎脊肌肌電強度(P=0.135)。右豎脊肌不穿外骨骼負(fù)重時,平均積分肌電值為(6.90±1.15)μV,穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為(11.30±2.31)μV,穿戴外骨骼也不能降低右豎脊肌肌電強度(P=0.134)。

2.2 肩部壓力

受試者肩部壓力測試數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果顯示,穿戴外骨骼負(fù)重與不穿外骨骼負(fù)重相比,肩部壓力平均降低了85.56%,以肩頂和肩背壓力減重最顯著(左肩頂壓力降低92.27%,右肩頂壓力降低83.11%,左肩背壓力降低90.64%,右肩背壓力降低86.86%)。

2.3 能量消耗

受試者耗氧量、二氧化碳呼出量和能量消耗功率測試結(jié)果見表4。從表4可知,穿戴外骨骼負(fù)重時耗氧量[(356.29±21.48)mL/min]較不穿外骨骼負(fù)重時耗氧量[(393.57±21.97)mL/min]降低9.47%(P=0.002);穿外骨骼負(fù)重時二氧化碳呼出量[(290.43±15.11)mL/min]較不穿外骨骼負(fù)重時[(347.14±27.25)mL/min]降低16.34%(P=0.007);穿戴外骨骼負(fù)重時能量消耗功率[(1.64±0.09)W/kg]較不穿外骨骼負(fù)重時[(1.84±0.09)W/kg]降低10.87%(P=0.002)。

表3 受試者肩部壓力測試結(jié)果

表4 受試者耗氧量、二氧化碳呼出量、能量消耗功率測試結(jié)果

3 討論

本實驗建立了斜方肌和豎脊肌肌電信號積分值、肩部壓力、耗氧量、二氧化碳排出量、能量消耗功率等指標(biāo)評價體系,并用該評價體系對被動式負(fù)重外骨骼的承重和助力機制進行相關(guān)研究。

在站立負(fù)重過程中,人體主要靠肩部支撐負(fù)重,因此斜方肌是站立負(fù)重過程中主要并持續(xù)發(fā)力的肌肉。本實驗對左右側(cè)斜方肌的肌電信號測試結(jié)果顯示,穿戴外骨骼站立負(fù)重時的斜方肌積分肌電值比不穿外骨骼時平均降低68.68%,差異顯著,說明穿戴外骨骼負(fù)重能明顯降低斜方肌的肌電強度。

肩部接觸壓力是人體在負(fù)重過程中感受反應(yīng)最直接的物理指標(biāo),在肩部壓力長時間的作用下,容易造成接觸部位皮膚紅腫和手臂血流不通暢,出現(xiàn)手臂麻木等不良感覺。本實驗結(jié)果顯示,穿戴外骨骼并負(fù)重25 kg時,其肩部壓力較不穿外骨骼負(fù)重時平均降低85.56%,這說明該外骨骼能夠?qū)毫鲗?dǎo)至地面,減輕人體肩部承重負(fù)擔(dān),緩解肩部接觸壓力。

耗氧量可以反映出人體單位時間內(nèi)消耗掉的氧氣量,在基礎(chǔ)代謝一定的情況下,耗氧量越多說明人體活動量越大;同理,二氧化碳呼出量反映人體單位時間內(nèi)由肺呼出的二氧化碳量,在基礎(chǔ)代謝一定的情況下,二氧化碳呼出量越多說明人體活動量越大。根據(jù)耗氧量和二氧化碳呼出量計算出的能量消耗功率,能更直觀地反映人體活動量的大小。本實驗結(jié)果顯示,穿戴外骨骼后負(fù)重,其耗氧量較不穿外骨骼負(fù)重時減少9.47%,二氧化碳呼出量較不穿外骨骼負(fù)重時降低16.34%,能量消耗功率較不穿外骨骼負(fù)重時降低10.87%。這些數(shù)據(jù)表明,穿戴外骨骼后負(fù)重能顯著降低人體能耗,有效提高穿戴者的負(fù)重效率。不同站立姿態(tài)能量消耗對比如圖6所示。結(jié)果顯示不穿外骨骼負(fù)重25 kg相較于不穿外骨骼無負(fù)重時能量消耗功率增加20.26%,說明在站立時負(fù)重會顯著影響能量消耗。穿戴外骨骼后站立負(fù)重相較于不穿外骨骼站立負(fù)重,能量消耗功率降低10.87%,將25 kg的負(fù)重對能量消耗帶來的影響降低一半,可以理解為在穿戴外骨骼后人體只感受到約12.5 kg的負(fù)重所帶來的對能量消耗的影響,進一步說明該被動式負(fù)重外骨骼具有良好的承重性能。

圖6 不同站立姿態(tài)能量消耗對比

無論是降低斜方肌肌電強度、減輕肩部壓力,還是降低機體能耗,都說明該被動式負(fù)重外骨骼主要是通過降低斜方肌的負(fù)荷、減輕肩部壓力,達到減輕穿戴者的勞動負(fù)荷的目的。

除了斜方肌,豎脊肌也是承受站立負(fù)重的重要肌肉。實驗數(shù)據(jù)顯示,穿戴外骨骼后負(fù)重時,其豎脊肌積分肌電值不但沒減少,反而增加了,說明穿戴外骨骼并沒有改善豎脊肌的負(fù)荷,其原因可能與穿戴外骨骼時后背負(fù)重,受試者需要將身體前傾一定角度,腰部長時間處于彎腰狀態(tài)迫使豎脊肌持續(xù)發(fā)力有關(guān)。另外,相比斜方肌,豎脊肌的肌電信號幅度更小,說明在站立負(fù)重情況下豎脊肌并沒有大量發(fā)力。通過對比站立負(fù)重25 kg與彎腰搬運25 kg豎脊肌的肌電信號幅度,發(fā)現(xiàn)彎腰狀態(tài)豎脊肌的發(fā)力顯著大于站立負(fù)重,如圖7所示。所以,身體前傾導(dǎo)致豎脊肌肌電強度微量提升,但其整體用力非常小,因此外骨骼在站立負(fù)重時并沒有給人體造成明顯的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)語

本文針對被動式負(fù)重外骨骼進行了站立承重性能評估,分別從物理指標(biāo)和生理指標(biāo)評估該被動式負(fù)重外骨骼,結(jié)果表明其具有良好的承重性能。該被動式負(fù)重外骨骼可減少人體在站立負(fù)重時斜方肌的肌電強度,降低肩部壓力,能有效緩解因長時間負(fù)重所帶來的肌肉疲勞損傷以及肩部受壓皮膚紅腫和手臂麻木的問題。此外,該被動式負(fù)重外骨骼通過降低斜方肌的負(fù)擔(dān)、減輕肩部壓力,從而達到降低站立負(fù)重時的能量消耗的效果,有效提高了穿戴者的負(fù)重效率。

需要指出的是,本文提出的評估方法僅在靜止負(fù)重條件進行了評估,而實際的負(fù)重更多的是多步態(tài)、動態(tài)的情況,因此針對負(fù)重外骨骼承重性能的評估還需進一步的細(xì)化和豐富評估方法。接下來將針對該被動式負(fù)重外骨骼在平路行走、陡坡行走和連續(xù)上臺階行走等動態(tài)條件下的承重性能和助力機制進行研究。志謝 感謝重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院創(chuàng)新實踐基地、重慶市前衛(wèi)科技集團有限公司、重慶市牛迪科技發(fā)展有限公司對本項目的大力支持,為本團隊提供相關(guān)實驗設(shè)備、受測被動式負(fù)重外骨骼和實驗場地,使團隊能順利進行實驗;此外,感謝團隊成員陳國、顏昌玲、許琨、寇治勇、張豪、趙毅陽、李俊邑參與并協(xié)助完成實驗,特此鳴謝。

猜你喜歡
肌電值方肌耗氧量
早期磁—電聯(lián)合刺激對經(jīng)陰道分娩初產(chǎn)婦盆底功能康復(fù)的影響*
中藥督脈熏蒸聯(lián)合電刺激生物反饋治療對促進產(chǎn)后盆底功能恢復(fù)的效果分析
超微針刀治療上斜方肌肌筋膜疼痛綜合征的臨床效果
盆底電生理評估在產(chǎn)后盆底功能障礙中的應(yīng)用
陰道產(chǎn)鉗助產(chǎn)對產(chǎn)后盆底功能的影響及康復(fù)治療的效果評價
3個“15秒”緩解頸部不適
實時剪切波彈性成像測量正常人不同臂展角度上斜方肌的彈性
影響飲用水水質(zhì)耗氧量檢測的因素探討
尤溪河某河段表觀耗氧量與營養(yǎng)鹽相關(guān)性研究*
水中耗氧量的準(zhǔn)確測定影響因素分析
404 Not Found

404 Not Found


nginx
贡山| 武冈市| 五莲县| 冷水江市| 金山区| 如东县| 龙江县| 荆门市| 平安县| 铁岭市| 南澳县| 成武县| 平江县| 四川省| 宾川县| 富源县| 韩城市| 襄城县| 闵行区| 孝义市| 南木林县| 体育| 揭东县| 香港| 观塘区| 吉木乃县| 三穗县| 桦南县| 银川市| 建宁县| 昌都县| 丰台区| 通化市| 池州市| 怀宁县| 兴文县| 玉门市| 永善县| 施秉县| 锡林浩特市| 乌拉特后旗|