振动诱导下人体腰背部肌肉加速疲劳机理及实验研究

Muscle fatigue caused by Long time driving is an important factor affecting driving comfort, and it increases the incidence of low back pain. Vehicle vibration is one of the key factors that accelerate the development of muscle fatigue, but its fundamental mechanism is still unclear. This project will focus on driver’s lumbar musculoskeletal system and study the vibration induced neural feedback regulation mechanism and biomechanical loads, which help understand how the whole body vibration accelerate the development of muscle fatigue. The main research contents includes: (1) modeling of the passive vibration characteristics of drivers’ musculoskeletal system; (2) mechanism of tendon reflex induced by small stretch vibration and its modelling characterization; (3) vibration induced neural feedback regulation mechanism of lumbar muscle system; (4) lumbar musculoskeletal system modelling considering neural feedback regulation and quantitative study on the correlation between vibration and lumbar muscle loads. The study of the project will explain the mechanism of muscle fatigue development induced by whole body vibration, establish a modeling & simulation method of studying the effects of vehicle vibration on driver musculoskeletal biomechanical system, which help lay a theoretical foundation for the quantitative evaluation and prediction of driving comfort under the conditions of vehicle vibration, and provide a theoretical basis for the comfort design of vehicle.

长时间驾驶所引起的肌肉疲劳是影响驾驶舒适性的重要因素，并使驾驶人腰背痛的发病率增加。汽车振动是驾驶人肌肉疲劳快速发展的关键诱因，但其诱发机理尚不明确。本项目拟以驾驶人腰背部肌肉骨髂生物力学系统为研究对象，研究振动诱导下驾驶人腰背部肌肉的神经反馈调节机制和生物力学负载，揭示汽车振动诱发驾驶人疲劳加速发展的内在机理。主要研究内容有：（1）驾驶人肌肉骨骼生物力学模型被动振动特性研究及建模；（2）振动诱导下骨骼肌的腱反射机制及模型化表征；（3）振动诱导下腰背部肌肉系统的神经反馈调节机制；（4）建立考虑神经反馈控制的肌肉骨骼生物力学模型，定量给出汽车振动与驾驶人腰背部肌肉负载的关联特性。该项目研究将阐释汽车振动诱发的人体肌肉疲劳加速发展的内在机理，建立基于驾驶人肌肉骨骼生物力学模型的振动仿真研究方法，为定量评价和预测汽车振动工况下的驾驶舒适性奠定理论基础，为车辆的舒适性设计提供理论依据。

全身振动是驾驶人肌肉疲劳快速发展，腰背痛高发的关键诱因，而振动诱导下肌肉在牵张反射作用下发生主动收缩被认为是其内在机理。本项目根据文献中脊柱椎间刚度的实验测试数据分析了椎间刚度力学特性，基于混合模型回归分析的特征参数优选方法，构建了泛化能力更强的三次非线性转矩-转角函数，解决了模型输入姿势与关节角不匹配导致求解精度不高的难题。并基于所开发的脊柱肌肉骨骼力学模型，提出了基于最小生物力学负载假设的脊柱关节转动位移求解算法，实现了任意脊柱弯曲角度下，各椎间关节运动规律的求解；开展SD大鼠活体单根腓肠肌正弦振动牵拉实验，研究了汽车振动频率下牵张反射对肌肉响应力的影响。实验发现，切断牵张反射神经弧后，肌肉力平均下降20%以上。发现了振动刺激下，肌肉在牵张反射机制的作用下自主收缩以对抗牵张，肌肉的生物力学载荷在被动张力基础上附加主动收缩力，使得肌肉疲劳加速发展的机理。研究结果显示，牵张反射反馈控制下，肌肉振动响应力随肌肉长度变化呈现迟滞阻尼特性，且随频率非线性变化。现出频率依赖非线性的特征，为牵张反射的神经反馈控制建模提供理论支撑；建立了牵张反射的延时主动反馈控制模型，结合驾驶人腰椎椎间刚度和人-椅接触系统力学特性建模，构建了考虑肌肉牵张反射频率依赖非线性的驾驶人振动舒适性仿真模型。模型预测与志愿者全身振动暴露实验竖脊肌肌肉表面肌电测量结果一致，实现了驾驶人腰背部肌肉振动响应的仿真求解，为定量评估驾驶人振动舒适性提供了仿真平台。.本项目发表（含已收录）论文9篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇。培养博士后1人，博士研究生3人，硕士研究生1人。