脚踝主被动康复与肌肉特征超声表征

Ankle injuries are important types of injuries for the athletes and elderly. The traditional developments of rehabilitation robot focus on the field of passive rehabilitation and parallel mechanisms. The muscle characteristic model and rehabilitation effect of the ankle in rehabilitation can’t be quantified. The project meets the development needs of ankle rehabilitation, we plan to conduct ankle muscle feature modeling, active-passive rehabilitation strategy and quantitative measurement of ultrasonic rehabilitation effect as the main research content. The muscle dynamics and ultrasonic beam model are used to coupling solve the ankle muscle characteristic model. An active-passive rehabilitation training method is established with the force perception module and rehabilitation trajectory fitting. The ankle muscle structure parameters are measured by multi-channel ultrasonic technique, and the ankle rehabilitation effect is evaluated quantitatively. And then, we could optimize the active-passive rehabilitation trajectory and rehabilitation parameters. Active-passive rehabilitation method in the project can expand the existing single passive rehabilitation method. The study of ultrasonic muscle measurement technique can provide the basis for the quantitative evaluation of ankle rehabilitation effect. The modeling of muscle features can provide a theoretical basis for the development of rehabilitation robot in rehabilitation medical engineering.

脚踝损伤是运动员和老年人重要的损伤类型，传统的康复机器人研究重点主要集中在被动康复训练和并联机构领域，未能定量给出脚踝在康复训练过程中的肌肉特征模型和康复效果指标。本项目结合脚踝康复医疗发展的社会需求，以脚踝肌肉特征建模、主被动康复策略和超声康复效果定量测量技术为主要研究内容，通过肌肉动力学和肌肉超声声束模型耦合求解脚踝肌肉特征模型，通过力感知模块的构建和康复轨迹拟合形成主被动结合的康复训练方法，通过多通道超声技术测量脚踝肌肉结构参数，定量评价脚踝康复效果，进而优化设计主被动康复轨迹和康复参数。本项目主被动康复方法的实施将拓展现有单一的被动康复方法，超声肌肉测量技术的研究可为脚踝康复效果的定量评价指标提供依据，肌肉特征的建模可为康复机器人用于康复医疗工程的发展提供理论基础。

脚踝康复医疗工程对踝关节功能衰退老年人和踝关节损伤患者功能性康复具有重要意义，符合我国人口老年化的国情需求，并且脚踝功能性康复有助于保障全民参与体育锻炼的积极性。本项目从脚踝康复的临床应用的目标出发，结合脚踝康复运动范围设计康复机器人的构型，并对机器人进行运动学分析，从而求解机器人的约束条件和运动空间。在机器人理论设计的基础上，进行机器人样机的加工装配，并搭建运动控制硬件系统，编写相应的数据采集与控制程序，实现脚踝康复机器人的运动控制和人机交互功能。为了实现主被动康复策略，采用阵列式柔性传感器采集足底的压力分布数据，采用运算放大器虚短原理解决阵列式传感器交叉耦合问题，结合机器学习算法预测患者的脚踝运动意图，根据运动意图控制康复机器人做出相应动作，实现机器人主动跟随功能，再根据患者主动轨迹复现该康复运动，实现被动康复功能，从而形成主被动康复方法。针对不同康复阶段的需求，在生物力学平台上建立人体和脚踝康复机器人的人机耦合模型，并探讨人体脚踝在康复机器人作用下的生物力学响应，从而对康复策略的有效性进行分析。为了分析人体肌肉力与超声信号的映射关系，本项目推导了超声在肌肉中的传播理论，结合超声波在生物组织中的传播特性，分析了超声纵波和剪切波在不同杨氏模量的人体软体组织下的传播机理，最后实验验证人体肌肉力与超声信号的映射关系。该项目的实施拓展现有单一被动康复方法，人机耦合建模与肌肉超声传播机理的研究可以为康复机器人应用于康复医疗工程提供理论基础，为辅助康复医师进行康复策略制定提供指导建议。