康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)

內(nèi)容概要

　　康復(fù)工程是一個正在發(fā)展的與許多學(xué)科有關(guān)的領(lǐng)域，其中運動功能康復(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的，內(nèi)容包括兩大部分：第一部分(第1～4章)是對與運動功能康復(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，運動功能的描述與評定，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)為與運動功能康復(fù)有關(guān)的專題研究，涉及對活體膝關(guān)節(jié)、上肢、下肢運動的生物機(jī)械學(xué)分析及應(yīng)用，假肢性能的仿生設(shè)計，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)的本科高年級學(xué)生和研究生的參考用書。

作者簡介

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Kerltlacky大學(xué)和加拿大Simon Fraser大學(xué)任訪問教授，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。多次參加國際機(jī)構(gòu)學(xué)IFTOMM、康復(fù)工程領(lǐng)域ISPO和I：EEE等國際學(xué)術(shù)會議，宣讀論文和擔(dān)任分會場主席。長期從事機(jī)械原理、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計和康復(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。近10多年來，先后主持完成國家自然科學(xué)基金項目“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力式助行器研究”、“動力式雙關(guān)節(jié)單自由度截癱步行機(jī)研究”，民政部科技開發(fā)項目“兩自由度肌電控制前臂假肢研究”；主持完成國家自然科學(xué)基金（中美）國際合作項目“具有感覺功能的肌電上臂假肢研究”；承擔(dān)并完成國家高技術(shù)研究開發(fā)計劃（863計劃）重點項目“生物活性經(jīng)皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”，國家科技支撐計劃項目“截癱患者行走訓(xùn)練系統(tǒng)研究”等13項研究課題，申請專利11項。作為第一完成人，先后獲得國家技術(shù)發(fā)明三等獎l項，北京市科技進(jìn)步二等獎1項，并獲得中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會學(xué)科發(fā)展杰出貢獻(xiàn)獎。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)計及應(yīng)用實例》（新時代出版社）、《機(jī)構(gòu)學(xué)》（臺北大揚出版社），參加編寫《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)》（華夏出版社）、《中國醫(yī)學(xué)百科全書·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。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表論文120多篇，其中SCI和EI收錄36篇。1992年獲國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。曾任中國殘疾人康復(fù)協(xié)會副理事長兼康復(fù)工程專業(yè)委員會主任、國際假肢與矯形學(xué)會（ISPC）學(xué)術(shù)委員會委員、中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會常務(wù)理事兼康復(fù)醫(yī)學(xué)工程專業(yè)委員會主任、中國假肢協(xié)會常務(wù)理事和國際生物材料學(xué)會中國委員會委員，曾任《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》、  《中國康復(fù)》和《中國臨床康復(fù)》雜志編委。現(xiàn)任中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會專家委員會副主任、《中國康復(fù)理論與實踐》雜志專家委員會委員、中國康復(fù)輔具協(xié)會學(xué)術(shù)委員會總顧問。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Virginia大學(xué)和加拿大Simon Fraser·大學(xué)擔(dān)任訪問學(xué)者或訪問教授。多次參加國際康復(fù)工程領(lǐng)域ISPO、IEEE和HCI等國際學(xué)術(shù)會議，宣讀論文或擔(dān)任分會場主席?，F(xiàn)任中國殘疾人康復(fù)協(xié)會副理事長，康復(fù)工程專業(yè)委員會主任，中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會專家組成員，《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》、《中國康復(fù)理論與實踐》和《Shockand Vibration》（IOSP ress ＆SAVIAC，USA）雜志編委。曾任中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會常務(wù)理事，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程專業(yè)委員會主任。長期從事康復(fù)工程和機(jī)械動力學(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“人體擺動相動力學(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)計中的應(yīng)用”、“儲能假肢的原理與實驗研究”、“智能膝上假肢肌電信號全周期控制原理與方法”等國家自然科學(xué)基金研究項目和教育部“人體運動協(xié)調(diào)元研究”的博士點基金項目；承擔(dān)了“假肢控制信息源研究”國家自然科學(xué)基金重點項目中的分項研究，參加了國家高技術(shù)研究開發(fā)計劃（863計劃）重點項目“生物活性經(jīng)皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”、國家科技支撐計劃項目“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)動力學(xué)優(yōu)化”等兩項國家自然科學(xué)基金（中美）國際合作項目和清華大學(xué)Motorola國際合作研究項目“肌電反饋功能訓(xùn)練研究”。完成我國第一臺高速動平衡機(jī)工藝及軟件研制，獲原國家機(jī)械工業(yè)部科技成果二等獎；參加連續(xù)變剛度支撐裝置研究，獲國家技術(shù)發(fā)明四等獎；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，享受國務(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)》（臺北大揚出版社）；合著《機(jī)械動力學(xué)》（高等教育出版社），《機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)》（清華大學(xué)出版社）；參編《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)》（華夏出版社）、《機(jī)械設(shè)計》（人民交通出版社）、《中國生物醫(yī)學(xué)工程科技產(chǎn)業(yè)》（中國農(nóng)業(yè)出版社）等專著或教材，獲得國家專利5項，其中發(fā)明專利3項；培養(yǎng)博士、碩士研究生26名。

書籍目錄

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)的研究內(nèi)容
　1.3 康復(fù)工程中的生物機(jī)械學(xué)研究
　　1.3.1 人體運動的生物機(jī)械學(xué)模型及應(yīng)用
　　1.3.2 人體運動行為的結(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
　　1.3.5 人—機(jī)系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)對生理功能的影響
　　1.3.6 人—機(jī)一體化系統(tǒng)設(shè)計
　　1.3.7 人體運動功能檢測與評定
　1.4 本書內(nèi)容介紹
　參考文獻(xiàn)
第2章 人體運動功能的描述與評定
　2.1 基于圖像識別技術(shù)的人體運動軌跡檢測
　　2.1.1 標(biāo)志點圖像識別技術(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
　　2.2.1 足底壓力分布檢測
　　2.2.2 三維合力檢測
　2.3 表面肌電信號檢測與處理
　　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 人體上肢運動功能描述與評價
　　2.4.1 臂部關(guān)節(jié)運動的協(xié)調(diào)性
　　2.4.2 臂部運動質(zhì)量評定
　　2.4.3 人手握物時受擾恢復(fù)能力
　2.5 人體行走功能評定
　　2.5.1 人體步態(tài)對稱性評價指標(biāo)
　　2.5.2 步態(tài)對稱性指標(biāo)的應(yīng)用
　2.6 人體平衡功能描述與評定
　　2.6.1 用重心軌跡變化描述平衡能力與評定指標(biāo)
　　2.6.2 人體平衡功能評價方法的應(yīng)用
　參考文獻(xiàn)
第3章 人體受外界干擾時的平衡策略
　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 雙足步行過程中的穩(wěn)定性分析
　3.2 人體站立受擾時恢復(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)過程中各關(guān)節(jié)的貢獻(xiàn)
　　3.2.4 單跨步平衡恢復(fù)時最小跨步長
　3.3 人體自然步態(tài)下意外滑動的危險性
　　3.3.1 與意外滑動相關(guān)的步態(tài)參數(shù)
　　3.3.2 健全人與假肢使用者意外滑動危險性的差異性
　3.4 人體發(fā)生意外滑動時的平衡恢復(fù)策略
　　3.4.1 研究平衡恢復(fù)策略的實驗與分析方法
　　3.4.2 健全人意外滑動時的平衡恢復(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 意外滑倒時的兩階段平衡策略
　3.5 人體滑倒過程中的關(guān)節(jié)力矩分析
　　3.5.1 多剛體模型的建立
　　3.5.2 系統(tǒng)動力學(xué)方程
　　3.5.3 滑倒時關(guān)節(jié)力矩計算
　3.6 基于平衡恢復(fù)策略的假肢安全性
　　3.6.1 通過改善步態(tài)降低滑動危險性
　　3.6.2 通過康復(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
第7章 下肢運動的生物機(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力式步態(tài)矯形器仿生設(shè)計
第10章 基于人體生物電信息的人—機(jī)一體化智能系統(tǒng)
中英文名詞對照
名詞索引
附錄a 與本書有關(guān)的研究項目
附錄b 參加與本書有關(guān)科研項目工作的教師、博士后研究人員、博士研究生、碩士研究生和訪問學(xué)者名錄

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：第二種是通過攝取人體運動圖像，捕捉粘貼在關(guān)節(jié)上的標(biāo)志點坐標(biāo)來獲取人體運動棍圖。第一種方法需要在關(guān)節(jié)的兩側(cè)安裝角度傳感器，對正常運動有干擾，而且檢測到的是關(guān)節(jié)角度變化，不能直接得到關(guān)節(jié)點的空間坐標(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)點數(shù)據(jù)，其信息量有限。第二種能夠得到人體運動棍圖的方法應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點是在人體上放置的附加物少，對人體的自然行走影響較小。此外還有利用超聲測距等原理檢測人體運動軌跡的，與上述兩種方法相比，應(yīng)用的較少。基于圖像的人體運動檢測裝置中最常見的是紅外光點運動捕捉系統(tǒng)，紅外光點運動捕捉系統(tǒng)是將主動或者被動發(fā)出紅外線的標(biāo)志點粘貼在待測關(guān)鍵節(jié)點或者關(guān)節(jié)處，采用與標(biāo)志點紅外線波長匹配的專用攝像機(jī)攝錄人體運動圖像，這樣就得到了人體運動時關(guān)鍵節(jié)點或者關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)，由此可以繪制運動棍圖。一般主動標(biāo)志點采用某種波長的紅外發(fā)光二極管制作，被動標(biāo)志點采用對某波長紅外線敏感的反光材料制作，在工作時鏡頭周圍專用裝置發(fā)出的紅外線使被動標(biāo)志點具有與主動標(biāo)志點相似的特征。紅外光點運動捕捉系統(tǒng)由于采用某種波長的專用紅外攝像機(jī)，價格較高，而基于圖像識別技術(shù)的人體運動軌跡檢測系統(tǒng)更易于推廣應(yīng)用?；趫D像識別技術(shù)的低成本人體運動軌跡檢測系統(tǒng)是利用普通攝像機(jī)采集人體運動過程中的圖像，然后利用圖像識別的方法識別出粘貼在關(guān)鍵節(jié)點或者關(guān)節(jié)處標(biāo)志點的坐標(biāo)，最后得到運動棍圖。這種方法與紅外光點運動捕捉系統(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?；趫D像識別技術(shù)的低成本人體運動軌跡檢測系統(tǒng)主要有標(biāo)志點圖像的識別和三維重構(gòu)兩個核心技術(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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