康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)

內(nèi)容概要

　　康復(fù)工程是一個(gè)正在發(fā)展的與許多學(xué)科有關(guān)的領(lǐng)域，其中運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)與生物機(jī)械學(xué)有密切關(guān)系，《康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)》就是從這二者的交叉部分展開(kāi)的，內(nèi)容包括兩大部分：第一部分(第1～4章)是對(duì)與運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)有關(guān)的生物機(jī)械學(xué)理論與方法的描述，涉及康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)的基本定義、范疇及二者的關(guān)聯(lián)性，運(yùn)動(dòng)功能的描述與評(píng)定，平衡控制機(jī)理，關(guān)節(jié)神經(jīng)肌肉控制特性等；第二部分(第5～10章)為與運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)有關(guān)的專題研究，涉及對(duì)活體膝關(guān)節(jié)、上肢、下肢運(yùn)動(dòng)的生物機(jī)械學(xué)分析及應(yīng)用，假肢性能的仿生設(shè)計(jì)，假肢接受腔與殘端人—機(jī)界面的生物力學(xué)分析，功能性矯形器和基于生物電信息的人—機(jī)一體化智能系統(tǒng)等。
　　《康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)》是在過(guò)去近30年科研工作的基礎(chǔ)上編撰而成的，力求全面系統(tǒng)地反映我國(guó)在這一交叉領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況。因此，《康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)》既可供從事康復(fù)工程和生物機(jī)械研究的科技工作者閱讀，也可作為與康復(fù)工程有關(guān)的其他專業(yè)的本科高年級(jí)學(xué)生和研究生的參考用書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

張濟(jì)川，男，1931年生于北京。1956年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械系，畢業(yè)后在清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系任教，1988年晉升為教授。曾先后在美國(guó)Kerltlacky大學(xué)和加拿大Simon Fraser大學(xué)任訪問(wèn)教授，在日本東京Denki大學(xué)任客座教授，進(jìn)行講學(xué)和合作研究。多次參加國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)IFTOMM、康復(fù)工程領(lǐng)域ISPO和I：EEE等國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，宣讀論文和擔(dān)任分會(huì)場(chǎng)主席。長(zhǎng)期從事機(jī)械原理、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和康復(fù)工程的教學(xué)和科研工作。1982年，將機(jī)械學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建了康復(fù)工程研究室，后擴(kuò)展為康復(fù)工程研究中心，任康復(fù)工程研究中心主任和清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所副所長(zhǎng)。近10多年來(lái)，先后主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“用于截癱和截肢者的康復(fù)工程方法及機(jī)理研究”、“高位截癱者的助行原理和外動(dòng)力式助行器研究”、“動(dòng)力式雙關(guān)節(jié)單自由度截癱步行機(jī)研究”，民政部科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“兩自由度肌電控制前臂假肢研究”；主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金（中美）國(guó)際合作項(xiàng)目“具有感覺(jué)功能的肌電上臂假肢研究”；承擔(dān)并完成國(guó)家高技術(shù)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目“生物活性經(jīng)皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“截癱患者行走訓(xùn)練系統(tǒng)研究”等13項(xiàng)研究課題，申請(qǐng)專利11項(xiàng)。作為第一完成人，先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)l項(xiàng)，北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，并獲得中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)學(xué)科發(fā)展杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。培養(yǎng)或協(xié)助培養(yǎng)博士、碩士研究生和博士后15名。主編并出版專著《機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例》（新時(shí)代出版社）、《機(jī)構(gòu)學(xué)》（臺(tái)北大揚(yáng)出版社），參加編寫(xiě)《中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)》（華夏出版社）、《中國(guó)醫(yī)學(xué)百科全書(shū)·康復(fù)醫(yī)學(xué)卷》（上?？茖W(xué)技術(shù)出版社）、  Ⅸ機(jī)械原理》（人民教育出版社）等專著和教材共9部。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文120多篇，其中SCI和EI收錄36篇。1992年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。曾任中國(guó)殘疾人康復(fù)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)兼康復(fù)工程專業(yè)委員會(huì)主任、國(guó)際假肢與矯形學(xué)會(huì)（ISPC）學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事兼康復(fù)醫(yī)學(xué)工程專業(yè)委員會(huì)主任、中國(guó)假肢協(xié)會(huì)常務(wù)理事和國(guó)際生物材料學(xué)會(huì)中國(guó)委員會(huì)委員，曾任《中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》、  《中國(guó)康復(fù)》和《中國(guó)臨床康復(fù)》雜志編委。現(xiàn)任中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)專家委員會(huì)副主任、《中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐》雜志專家委員會(huì)委員、中國(guó)康復(fù)輔具協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)總顧問(wèn)。金德聞女，清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，1938年出生于湖北，1961年春季畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械系，1988-1998年任清華大學(xué)機(jī)械原理教研室主任，曾先后多次赴美國(guó)Virginia大學(xué)和加拿大Simon Fraser·大學(xué)擔(dān)任訪問(wèn)學(xué)者或訪問(wèn)教授。多次參加國(guó)際康復(fù)工程領(lǐng)域ISPO、IEEE和HCI等國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，宣讀論文或擔(dān)任分會(huì)場(chǎng)主席?，F(xiàn)任中國(guó)殘疾人康復(fù)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)，康復(fù)工程專業(yè)委員會(huì)主任，中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)專家組成員，《中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》、《中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐》和《Shockand Vibration》（IOSP ress ＆SAVIAC，USA）雜志編委。曾任中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程專業(yè)委員會(huì)主任。長(zhǎng)期從事康復(fù)工程和機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究，并將機(jī)械學(xué)與康復(fù)工程相結(jié)合，在康復(fù)工程領(lǐng)域建立了生物機(jī)械學(xué)研究方向。主持完成“人體擺動(dòng)相動(dòng)力學(xué)模型和智能控制下肢假肢的研究”、“人體平衡機(jī)理及其在假肢設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”、“儲(chǔ)能假肢的原理與實(shí)驗(yàn)研究”、“智能膝上假肢肌電信號(hào)全周期控制原理與方法”等國(guó)家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目和教育部“人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)元研究”的博士點(diǎn)基金項(xiàng)目；承擔(dān)了“假肢控制信息源研究”國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目中的分項(xiàng)研究，參加了國(guó)家高技術(shù)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目“生物活性經(jīng)皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“截癱患者行走訓(xùn)練系統(tǒng)研究”；作為中方負(fù)責(zé)人，完成“轉(zhuǎn)子和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化”等兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金（中美）國(guó)際合作項(xiàng)目和清華大學(xué)Motorola國(guó)際合作研究項(xiàng)目“肌電反饋功能訓(xùn)練研究”。完成我國(guó)第一臺(tái)高速動(dòng)平衡機(jī)工藝及軟件研制，獲原國(guó)家機(jī)械工業(yè)部科技成果二等獎(jiǎng)；參加連續(xù)變剛度支撐裝置研究，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明四等獎(jiǎng)；參加機(jī)械原理課程教學(xué)及改革，獲北京市先進(jìn)教改成果獎(jiǎng)，享受國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。發(fā)表學(xué)術(shù)論文150多篇，其中70多篇被SCI或EI檢索收錄。主編《機(jī)構(gòu)學(xué)》（臺(tái)北大揚(yáng)出版社）；合著《機(jī)械動(dòng)力學(xué)》（高等教育出版社），《機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》（清華大學(xué)出版社）；參編《中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)》（華夏出版社）、《機(jī)械設(shè)計(jì)》（人民交通出版社）、《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程科技產(chǎn)業(yè)》（中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社）等專著或教材，獲得國(guó)家專利5項(xiàng)，其中發(fā)明專利3項(xiàng)；培養(yǎng)博士、碩士研究生26名。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論
　1.1 康復(fù)工程的研究與發(fā)展
　　1.1.1 人體功能障礙的類型和康復(fù)途徑
　　1.1.2 康復(fù)工程學(xué)的研究基礎(chǔ)
　　1.1.3 康復(fù)工程技術(shù)進(jìn)展
　1.2 生物機(jī)械學(xué)的研究
　　1.2.1 機(jī)械學(xué)與生物機(jī)械學(xué)
　　1.2.2 生物機(jī)械學(xué)與生物力學(xué)
　　1.2.3 生物機(jī)械學(xué)的研究?jī)?nèi)容
　1.3 康復(fù)工程中的生物機(jī)械學(xué)研究
　　1.3.1 人體運(yùn)動(dòng)的生物機(jī)械學(xué)模型及應(yīng)用
　　1.3.2 人體運(yùn)動(dòng)行為的結(jié)構(gòu)與協(xié)調(diào)性研究
　　1.3.3 人—機(jī)交互原理與方法
　　1.3.4 人—機(jī)界面的分析與設(shè)計(jì)
　　1.3.5 人—機(jī)系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)對(duì)生理功能的影響
　　1.3.6 人—機(jī)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　1.3.7 人體運(yùn)動(dòng)功能檢測(cè)與評(píng)定
　1.4 本書(shū)內(nèi)容介紹
　參考文獻(xiàn)
第2章 人體運(yùn)動(dòng)功能的描述與評(píng)定
　2.1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)
　　2.1.1 標(biāo)志點(diǎn)圖像識(shí)別技術(shù)
　　2.1.2 二維圖像的三維重構(gòu)法
　2.2 人體地面反力檢測(cè)
　　2.2.1 足底壓力分布檢測(cè)
　　2.2.2 三維合力檢測(cè)
　2.3 表面肌電信號(hào)檢測(cè)與處理
　　2.3.1 模擬放大電路
　　2.3.2 數(shù)字濾波處理
　　2.3.3 semg分析和特征提取方法
　2.4 人體上肢運(yùn)動(dòng)功能描述與評(píng)價(jià)
　　2.4.1 臂部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性
　　2.4.2 臂部運(yùn)動(dòng)質(zhì)量評(píng)定
　　2.4.3 人手握物時(shí)受擾恢復(fù)能力
　2.5 人體行走功能評(píng)定
　　2.5.1 人體步態(tài)對(duì)稱性評(píng)價(jià)指標(biāo)
　　2.5.2 步態(tài)對(duì)稱性指標(biāo)的應(yīng)用
　2.6 人體平衡功能描述與評(píng)定
　　2.6.1 用重心軌跡變化描述平衡能力與評(píng)定指標(biāo)
　　2.6.2 人體平衡功能評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用
　參考文獻(xiàn)
第3章 人體受外界干擾時(shí)的平衡策略
　3.1 基于能量分析的人體穩(wěn)定性度量
　　3.1.1 向前翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性度量——穩(wěn)定裕量
　　3.1.2 向后翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定裕量
　　3.1.3 不同初始條件下的穩(wěn)定裕量
　　3.1.4 動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定域
　　3.1.5 影響穩(wěn)定性的相關(guān)因素
　　3.1.6 雙足步行過(guò)程中的穩(wěn)定性分析
　3.2 人體站立受擾時(shí)恢復(fù)平衡的生物機(jī)械學(xué)分析
　　3.2.1 受擾強(qiáng)度的度量
　　3.2.2 不同擾動(dòng)強(qiáng)度下的平衡，陵復(fù)策略
　　3.2.3 站立受擾平衡恢復(fù)過(guò)程中各關(guān)節(jié)的貢獻(xiàn)
　　3.2.4 單跨步平衡恢復(fù)時(shí)最小跨步長(zhǎng)
　3.3 人體自然步態(tài)下意外滑動(dòng)的危險(xiǎn)性
　　3.3.1 與意外滑動(dòng)相關(guān)的步態(tài)參數(shù)
　　3.3.2 健全人與假肢使用者意外滑動(dòng)危險(xiǎn)性的差異性
　3.4 人體發(fā)生意外滑動(dòng)時(shí)的平衡恢復(fù)策略
　　3.4.1 研究平衡恢復(fù)策略的實(shí)驗(yàn)與分析方法
　　3.4.2 健全人意外滑動(dòng)時(shí)的平衡恢復(fù)策略
　　3.4.3 單側(cè)大腿假肢穿戴者的平衡恢復(fù)策略
　　3.4.4 意外滑倒時(shí)的兩階段平衡策略
　3.5 人體滑倒過(guò)程中的關(guān)節(jié)力矩分析
　　3.5.1 多剛體模型的建立
　　3.5.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程
　　3.5.3 滑倒時(shí)關(guān)節(jié)力矩計(jì)算
　3.6 基于平衡恢復(fù)策略的假肢安全性
　　3.6.1 通過(guò)改善步態(tài)降低滑動(dòng)危險(xiǎn)性
　　3.6.2 通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練提高應(yīng)急反應(yīng)能力
　　3.6.3 增加假肢的防滑倒功能
　　3.6.4 滑倒預(yù)警措施
　參考文獻(xiàn)
第4章 人體關(guān)節(jié)系統(tǒng)生物機(jī)械學(xué)特性的描述與應(yīng)用
第5章 膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析及應(yīng)用
第6章 上肢假肢系統(tǒng)的生物機(jī)械學(xué)原理與功能仿生設(shè)計(jì)
第7章 下肢運(yùn)動(dòng)的生物機(jī)械學(xué)分析與應(yīng)用
第8章 小腿假肢裝配中人—機(jī)界面的生物機(jī)械學(xué)分析
第9章 功能性矯形器原理和動(dòng)力式步態(tài)矯形器仿生設(shè)計(jì)
第10章 基于人體生物電信息的人—機(jī)一體化智能系統(tǒng)
中英文名詞對(duì)照
名詞索引
附錄a 與本書(shū)有關(guān)的研究項(xiàng)目
附錄b 參加與本書(shū)有關(guān)科研項(xiàng)目工作的教師、博士后研究人員、博士研究生、碩士研究生和訪問(wèn)學(xué)者名錄

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：第二種是通過(guò)攝取人體運(yùn)動(dòng)圖像，捕捉粘貼在關(guān)節(jié)上的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)獲取人體運(yùn)動(dòng)棍圖。第一種方法需要在關(guān)節(jié)的兩側(cè)安裝角度傳感器，對(duì)正常運(yùn)動(dòng)有干擾，而且檢測(cè)到的是關(guān)節(jié)角度變化，不能直接得到關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，因而得不到除關(guān)節(jié)角度外的肢體末端等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其信息量有限。第二種能夠得到人體運(yùn)動(dòng)棍圖的方法應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是在人體上放置的附加物少，對(duì)人體的自然行走影響較小。此外還有利用超聲測(cè)距等原理檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)軌跡的，與上述兩種方法相比，應(yīng)用的較少?；趫D像的人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置中最常見(jiàn)的是紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是將主動(dòng)或者被動(dòng)發(fā)出紅外線的標(biāo)志點(diǎn)粘貼在待測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或者關(guān)節(jié)處，采用與標(biāo)志點(diǎn)紅外線波長(zhǎng)匹配的專用攝像機(jī)攝錄人體運(yùn)動(dòng)圖像，這樣就得到了人體運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或者關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)，由此可以繪制運(yùn)動(dòng)棍圖。一般主動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)采用某種波長(zhǎng)的紅外發(fā)光二極管制作，被動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)采用對(duì)某波長(zhǎng)紅外線敏感的反光材料制作，在工作時(shí)鏡頭周圍專用裝置發(fā)出的紅外線使被動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)具有與主動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)相似的特征。紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)由于采用某種波長(zhǎng)的專用紅外攝像機(jī)，價(jià)格較高，而基于圖像識(shí)別技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)系統(tǒng)更易于推廣應(yīng)用。基于圖像識(shí)別技術(shù)的低成本人體運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)系統(tǒng)是利用普通攝像機(jī)采集人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的圖像，然后利用圖像識(shí)別的方法識(shí)別出粘貼在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或者關(guān)節(jié)處標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，最后得到運(yùn)動(dòng)棍圖。這種方法與紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)相比，不需要專用的紅外攝像機(jī)，降低了硬件成本，但是增加了圖像處理的難度。基于圖像識(shí)別技術(shù)的低成本人體運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)系統(tǒng)主要有標(biāo)志點(diǎn)圖像的識(shí)別和三維重構(gòu)兩個(gè)核心技術(shù)。

編輯推薦

《清華大學(xué)學(xué)術(shù)專著:康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)》是由清華大學(xué)出版社出版的。

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