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脊髓反射对姿势稳定性的影响效果

作　者: 杜雨繁
导　师: 蓝宁
学　校: 上海交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 神经运动控制建模与仿真脊髓反射刚度反馈增益
分类号: R318.0
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 27次
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内容摘要

姿势的稳定性在上肢的运动行为中是非常重要的,因为神经运动系统时刻都面临着内部或者外部的不稳定因素的干扰。刚度是一个常常用来刻画上肢姿势稳定性的物理量,它由三个部分组成:内部主动分量、被动分量、和反射引起的刚度。反射对刚度有重要的贡献,前面的实验已经证明,由反射活动产生的刚度可以根据运动任务的特点和环境做出相应的改变,改变的最终目的都是通过增大刚度来减小不稳定性。然而,受技术限制,实验方法至今不能对反射活动对上肢端点刚度的影响方式这一问题做出深入的研究。本文中,我们在一个已经建好的开环的虚拟上臂模型的基础上加入脊髓反射网络模型,完成了一个闭环的虚拟上臂模型。用这两个模型进行的仿真实验可以帮助我们将反射活动引起的刚度分离出来进行研究。为了使仿真更接近真实情况,在模型的控制信号中加入了随机噪声。本研究中采用和实验方法相似的加入干扰力的方法来估计上肢端点刚度,上肢端点刚度用刚度椭圆表示。另外一个漂移椭圆用来表示上肢端点在神经噪声影响下的分布范围。用开环和闭环模型分别做14组仿真实验。实验结果显示,反射活动可以使刚度的幅度平均增大18.37%,这个和实验方法的估计值一致。它还可以使漂移椭圆的幅度平均减小35%。同时,刚度椭圆和漂移椭圆的形状和方向不发生变化。这说明前向控制信号决定上臂的阻抗特性,反射只是起到增大阻抗的幅度的作用。另外,本文还对反射增益值对上臂的稳定性的影响进行了研究,结论是牵张反射的增益最容易引起不稳定,腱反射的增益最不容易引起不稳定。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-12
第二章背景及相关工作  12-24
  2.1 反射及其对刚度的贡献  12-19
    2.1.1 概述  12
    2.1.2 刚度的实验测量方法及表示方法  12-16
    2.1.3 刚度的调节  16-17
    2.1.4 反射对刚度的贡献  17-19
  2.2 神经噪声及其影响  19-22
    2.2.1 概述  19
    2.2.2 神经噪声的来源  19-21
    2.2.3 神经噪声的影响  21
    2.2.4 刚度和漂移形状之间的关系  21-22
  2.3 反射增益  22
  2.4 本章小结  22-24
第三章模型介绍  24-43
  3.1 模型概述  24-25
  3.2 模型软件开发平台  25-28
    3.2.1 SIMM  25-27
    3.2.2 MMS  27
    3.2.3 Matlab/Simulink  27-28
  3.3 肌肉骨骼系统模型  28
  3.4 虚拟肌肉模型  28-33
    3.4.1 肌肉模型概述  28-30
    3.4.2 肌肉模型的实现  30-33
  3.5 肌梭模型  33-39
    3.5.1 模型简介  33-34
    3.5.2 梭内肌纤维的模型  34-37
    3.5.3 梭内肌纤维对传入神经发放的贡献  37-38
    3.5.4 传入神经发放模型  38-39
    3.5.5 肌梭整合模型  39
  3.6 脊髓反射网络模型  39-41
  3.7 本章小结  41-43
第四章仿真方法  43-51
  4.1 计算刚度的方法  43-46
  4.2 得到漂移椭圆的方法  46-47
  4.3 动态仿真过程  47-48
  4.4 确定反馈增益  48-49
  4.5 比较Close-loop 和Open-loop 的区别  49
  4.6 研究单关节肌肉和双关节肌肉的不同作用  49
  4.7 本章小结  49-51
第五章结果  51-59
  5.1 手的刚度椭圆和手的漂移椭圆的特点  51
  5.2 反馈增益对闭环模型稳定性的影响  51-54
  5.3 脊髓反射回路对手的刚度和手的漂移的影响  54-56
  5.4 单关节肌肉和双关节肌肉的不同作用  56-57
  5.5 本章小结  57-59
第六章讨论  59-61
  6.1 模型的有效性  59
  6.2 脊髓反射回路对刚度和手的漂移的贡献  59-60
  6.3 平衡点控制和刚度  60-61
第七章总结和展望  61-65
  7.1 总结  61
  7.2 展望  61-65
    7.2.1 对模型的完善和进一步验证  61-62
    7.2.2 模型在制定功能性电刺激治疗方案中的应用  62
    7.2.3 运动冗余和最优运动轨迹  62-64
    7.2.4 利用模型研究前向和反馈控制的联合机制  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
读硕士期间发表或者录用的论文  70-72

脊髓反射对姿势稳定性的影响效果

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