日常身体活动及其能量代谢的生物力学建模

能量代谢失衡是导致许多慢性疾病的重要因素之一，而确定能量代谢与健康之间量效关系是研究这个问题的前提，其关键技术是对日常身体活动的种类、频率、强度、起始点和持续时间的准确测量与分析，但目前对于强度的测量缺少有效方法。本课题拟在前期研究工作基础上，基于日常生活中易于测量的运动参数建立生物力学模型，计算直接反映身体活动强度的机械功和功率，进行身体活动能量使用效率的研究。拟采用如下方法：一、测量地面反作用力、肢体加速度和相对地面的角度；二、把日常身体活动分解成多种单项动作，根据上述参数对各个单项动作进行生物力学建模；三、使用传统运动捕捉系统进行模型修改和验证；四、利用间接能量代谢实验舱和便携式测试仪进行身体活动机械功和能量代谢的关联研究，确定多种身体活动的能量使用效率。本研究将有助于对日常身体活动有更深入、清晰和较全面的理解和认识，为研究和预防因代谢失衡引起的一系列健康问题提供有效测量分析手段。

本研究把复杂的人体活动分解成了多种单项动作，并对各个单项动作进行了生物力学建模，计算机械功，并用传统动作捕捉系统进行了建模验证，再利用间接式能量代谢测试法，进行了身体活动的能量使用效率的研究。对坐到站、躺到坐、弯腰、下蹲、翘腿和行走等动作的机械功、能量消耗和能量使用效率进行了系统研究和分析。不同动作的预测值与测量值的比为94.4 ±15.9% 到 105.6±14.6%，无显著性差异(p > 0.05)，表明通过模型测算的能量消耗值是比较合理的。步行生物力学模型中，步态时相的识别是关键，我们提出了一种步态时相识别的新方法，同时在研究中还发现，步态的8个时相相对于步态周期的百分比并不是固定的常数，而是随着步行速度的变化而变化，这是对经典的PERRY时相划分理论的重要补充。本课题的研究目的之一是估算人体活动的能量消耗，在与人体能量代谢测试舱的对比试验中，由于受试者携带的传感器较多，对测试舱形成了很大干扰，我们设计出了一种新的信号处理方法能够实现有效降噪。我们还发现，人体的排湿率与人体的能量消耗具有很好的相关性，据此我们提出了根据人体的排湿率估算人体日常活动能量消耗的新方法，对本课题的研究内容是一个很好的补充。本课题采用运动生物力学理论、便携式运动参数测量系统和人体能量代谢测试舱，对人体日常活动进行了较全面分析和研究，对日常身体活动有了进一步比较全面的客观认知，提出了日常生活状态下预测日常活动能量消耗的方法，为能量代谢与健康量效关系和其它相关研究提供了方法学基础。