تخمین نیروهای عضلات و مفاصل کمری تحت فعالیت‌های فیزیکی مختلف با استفاده از یک مدل ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی از ستون فقرات

Abstract

شیوع کمردرد و ناهنجاری­های کمری در جوامع مختلف رو به افزایش است، به علاوه اندازه­گیری مستقیم نیروی مربوط به عضلات و مهره­های ستون فقرات بسیار دشوار است. از این‌رو، استفاده از مدل­های بیومکانیکی اسکلتی-عضلانی به عنوان یک ابزار جهت محاسبه­ و تخمین نیروهای وارده بر ستون فقرات در فعالیت­های مختلف کاربرد فراوانی پیدا کرده است. لذا هدف این پژوهش تخمین نیروهای مذکور به روش­های مختلف به خصوص در فعالیت باربرداری می­باشد. بدین منظور از یک مدل اسکلتی-عضلانی آناتومیکی توسعه یافته شامل 6 مفصل سه درجه‌ی آزادی و 76 فسیکل عضلانی استفاده شده­ است. به علت بیش‌تر بودن تعداد مجهولات (نیروی عضلات) از تعداد معادلات تعادل، سیستم دچار افزونگی بوده و مساله جهت حل، نامعین می­باشند. بنابراین، از روش­های ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی برای تخمین نیروی عضلات استفاده شده است. از آن‌جا که نیروهای عضلات حاصل از روش­ الکترومایوگرافی، معادلات تعادل را ارضا نمی­کند، از یک‌سری ضرایب تصحیح جهت ارضای معادلات تعادل در تمام سطوح مفصلی کمری استفاده شده است. طبق نتایج به دست آمده برای یک فعالیت فیزیکی خاص، به علت استفاده از الگوریتم­های مختلف جهت یافتن نیروها، ضرایب تصحیح متفاوتی برای هر عضله در روش­های ترکیبی مختلف به دست می­آید. مقادیر متفاوتی برای نیروی عضلات و میزان پایداری تخمینی توسط روش­های ترکیبی مختلف به دست آمد، اما نیروهای فشاری و برشی مفصلی در مدل­های ترکیبی به یک‌دیگر نزدیک می­باشد. جهت صحت‌سنجی نتایج مدل، از داده­های مربوط به فشار دیسک چهارم و پنجم کمری در یک مطالعه­ی آزمایشگاهی استفاده شد، که هر دو مورد فشار را در محدوده‌ی 3/0 - 8/1 مگاپاسکال گزارش کرده­اند.