用于坐姿越野滑雪双杖推进上肢肌力评估的EMG驱动模型:模型的开发和验证

目的本研究旨在开发并验证一个基于表面肌电信号(EMG)驱动的模型,用于计算坐姿越野滑雪中双杖推进(DP)时上肢的肌肉力和力矩。该模型相较于传统优化算法,能生成更符合生理实际的肌肉力数据,从而深入揭示肌肉在该特定运动中的作用机制。方法基于自主研发的坐姿越野滑雪训练和测试装备,同步采集一名受试者30 s最大努力测试中的运动学、表面肌电信号和外力数据。通过基于Open Sim的双侧上肢躯干模型,执行缩放、逆运动学、逆动力学及肌肉分析模拟,从而获取5个DP周期的关键输入参数,包括参考关节力矩、肌肉肌腱长度及肌肉力矩臂。通过优化EMG驱动产生的肩肘关节力矩和参考关节力矩的均方根最小值,得到该受试者个体化的EMG驱动模型参数。再使用区别于模型标定的5个DP周期数据计算的EMG驱动关节力矩与参考力矩进行比较,以对模型进行验证。结果模拟结果表明,EMG驱动模型在计算肩关节的屈伸、内收外展、内外旋以及肘关节屈伸的关节力矩与逆动力学得到的参考值高度一致。结论本研究开发的EMG驱动模型能够有效地预测坐姿越野滑雪中DP时上肢的肌肉力和力矩。该模型不仅可为理解特定运动模式中的肌肉运动机制提供分析工具,也能够为运动员训练优化、伤病预防和康复提供科学依据。