骨骼肌力產生機理、仿生及套用

內容簡介

在生物力學領域，骨骼肌收縮力的產生機理是*具吸引力和挑戰性的研究課題之一。通過分析骨骼肌收縮力學原理，建立合理的骨骼肌力學模型，在肢體運動康復醫學和人工肌肉等仿生領域中具有重要套用價值。從本質上來講，骨骼肌的收縮行為源於肌球蛋白分子馬達，它是一種納米尺度的分子機器，分子馬達通過水解三磷酸腺苷（ATP）產生作用力推動細肌絲與粗肌絲相對運動，大量的分子馬達集體做功使肌肉產生收縮。目前肌肉收縮的微觀機理研究主要集中在分子馬達循環過程的定性描述上，很難對分子馬達微觀動態力學行為進行精確解析。另外，現有骨骼肌生物力學模型主要由Hill的巨觀能量模型與Huxley的微觀橫橋模型發展而來。Hill模型描述簡單，並已廣泛套用於生物醫學工程領域，但屬於準靜態範疇，不夠精確；Huxley模型基於分子馬達能態躍遷，能夠給出肌小節的動態收縮力。然而，實際上肌肉是由大量肌小節串並聯構成，其動力學特性與單個肌小節存在顯著差別。可見，現有生物力學模型在微觀描述與巨觀描述之間尚存在一個斷層；更重要的是，這些模型大多集中於解釋性功能，由於其高度的複雜性與大量非線性參數，難以用於人體運動過程的線上精確預測，造成雖然各類模型一直經歷著補充與修正，其理論完善性與套用價值至今未出現本質上的突破。另一方面，骨骼肌收縮的調控機制與募集策略尚未揭示清楚。單根肌纖維的收縮是典型的非線性閉環變頻調控過程，影響因素包括頻率實時變化的動作電位，以及肌梭與高爾夫腱器官等感受器的反饋電位。當前，學界對於肌肉的興奮一收縮偶聯（Excitation-EontractionCoupling，ECC）已有了大量研究，骨骼肌生物力學模型亦是針對前向的ECC過程，但大多未考慮動態變化的激活量，也並未給出感受器的反饋對運動神經元放電行為的影響規律，即反饋環節的模型尚未建立。以往的研究大多集中於開環定性描述，缺少有效的定量模型，相關研究一直進展緩慢，遠未達成共識。

在骨骼肌生物力學理論的工程套用中，肢體運動康復醫學與人工肌肉仿生設計這兩大領域亦取得了長足進步，並且擁有廣闊的套用前景。熊林平教授在《老齡化趨勢下中國城鎮老年醫療保障的模式》中指出，我國自1999年便開始逐步邁入老齡化階段，而且老齡化的速度已經高居全球首位。隨著老齡人口的不斷增加，慢性疾病患者的數量也急劇增加。而與之相對的是，隨著社會的不斷進步和發展，人們對自身健康水平和生活質量的要求越來越高。但是，醫療資源的增加遠遠無法跟上對其需求的快速增長，因此很多患者無法及時得到有效治療，往往造成身體損傷等慘劇。熊教授在文中還指出，我國65歲及以上人群的慢性病患病率高達64.5%，年住院率為15.3%，而其中應住院卻由於資源有限而未住院的比例高達28%。更為嚴重的是，對於一些疾病，如果不能得到及時有效的治療將會導致終身殘疾甚至死亡。其中，*為人們所熟知的疾病便是中風。目前對於中風及脊髓損傷患者的治療，早期僅集中於藥物治療，同時對後期的功能訓練也不夠重視，從而延誤了康復的號時機，致使部分患者喪失勞動能力和生活能力。究其原因，臨床治療過程中，以下兩個問題尤其突出：①針對患者個體化需求的康復策略還有待完善。目前已有多種針對中風及脊髓損傷患者的運動治療方法，但是這些方法單獨治療往往側重於某一方面，效果不佳，需要針對不同患者的病情，制訂合理的複合康復策略，提高康復療效。②多功能康復機器人還有待進一步開發。通過康復機器人技術能夠有效節省康復治療過程中的人力投入，增強康復過程中的安全性。但現有的下肢康復機器人功能單一，患者使用不方便，康復效果不佳，大多醫院和康復中心的設備為進口，價格昂貴，難以推廣套用。

骨骼肌力產生機理、仿生及套用

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