CN103124518A - 用于无创地且选择性地测定表面骨骼肌的生物力学、收缩和粘弹性特性的方法和装置 - Google Patents

用于无创地且选择性地测定表面骨骼肌的生物力学、收缩和粘弹性特性的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明的主题是一种测量方法和装置，其用于通过测量骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带（测量主体）之上的皮肤表面处的力来在原位（恰好在现象发生的位置研究该现象）进行选择性地且无创地测定该测量主体的生物力学、收缩和粘弹性特性（BCVP）。测量装置（A）所包含的主要部件包括具有适当形状的传感器端部（2）的测量传感器（1）、微处理器（3）以及支撑部件（4）。创新的测量装置（A）被成形为使得当定位在皮肤表面（5）上时，传感器端部（2）被压入到皮肤中。可使用任何合适的测力计或压力计来测量该测量主体之上的皮肤表面处的力，其中传感器端部（2）的位置不受测量力的影响。公开时，示出了图1。

Description

用于无创地且选择性地测定表面骨骼肌的生物力学、收缩和粘弹性特性的方法和装置
已开发了能够测定所有表面骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带（在下文中称为测量主体（subject of measurement））的生物力学、收缩和粘弹性特性（在下文中称为BCVP）的测量方法和装置，这可以以完全无创的方式在原位（恰好在现象发生的地方研究该现象）进行。此外，所提出的方法和装置能够进行选择性测量，这意味着可以区分单个肌节的活动。根据所提出的方法并通过使用所提出的装置，可通过测量测量主体之上的皮肤表面处的肌力来实现BCVP测定。在皮肤表面处放置测量装置以及测量操作并不会对测量个体造成任何疼痛或不适。本发明属于国际专利分类的生物力学领域。
所提出的方法和装置能够通过完全无创的和选择性的测量，在原位成功地测定所有上述主体的BCVP。
骨骼肌构成人体中最大的器官。此外，它们是最大的能量消耗者，并能够以不同的强度和持续时间按照不同的运动模式实现有效运动。不同的肌肉纤维增加了骨骼肌可提供的需求范围。
健康的肌肉系统与健康的心血管、肺、免疫系统和内分泌系统是相关的（S.Nielsen,B.K.Pedersen,Skeletal muscle as an immunogenic organ,CurrOpin Pharmacol,2008Jun,8（3）,第346-51页;L.R.Leiber,Skeletal MuscleStructure,Function and Plasticity:The Physiological Basis of Rehabilitation,Lippincott Williams and Wilkins,第二次修订版（2002）;B.K.Pedersen,T.C.A.Akerstrom,A.R.Nielsen,CP.Fischer,Role of myokines in exercise andmetabolism,Appl Physiol,2007年9月,103（3）,第1093-8页）。相反，神经肌肉系统疾病对日常活动和独立性有显著的影响（L.R.Leiber,SkeletalMuscle Structure,Function and Plasticity:The Physiological Basis ofRehabilitation,Lippincott Williams and Wilkins,第二次修订版（2002））。锻炼（通过肌肉活动）的有益健康的作用在针对与低度炎症相关的疾病如心血管疾病、2型糖尿病、与代谢综合征相关的症状以及癌症进行防护方面发挥着重要的作用（B.K.Pedersen,CP.Fischer,Beneficial health effects ofexercise-the role of IL-6as a myokine,Trends Pharmacol Sci.,2007年4月,28（4）,第152-6页）。此外，肌肉活动和抗阻训练可以引起一定的抗衰老作用（R.Koopman,L.J.C.van Loon,Aging,exercise,and muscle proteinmetabolism,J Appl Physiol,2009年6月,106（6）,第2040-8页）。此外，抗阻运动训练可以减少老年人的氧化应激标志物，并提高抗氧化酶活性（G.Parise,S.M.Phillips,J.J.Kaczor,M.A.Tarnopolsky,Antioxidant enzymeactivity is up-regulated after unilateral resistance exercise training in olderadults,Free Radic Biol Med.2005年7月15日,39（2）,第289-95页;G.Parise,A.N.Brose,M.A.Tarnopolsky,Resistance exercise training decreasesoxidative damage to DNA and increases cytochrome oxidase activity in olderadults,Exp Gerontol.2005年3月,40（3）,第173-80页）。
了解这种作为运动或力量的普遍现象，需要了解完整的神经肌肉系统（L.R.Leiber,Skeletal Muscle Structure,Function and Plasticity:ThePhysiological Basis of Rehabilitation,Lippincott Williams and Wilkins,第二次修订版（2002））。目前用于确定骨骼肌的生物力学和收缩特性的方法是广泛的；每一种方法都有其优点和缺点，但主要仅测量单一部位，其仅限定在特定测试条件下肌肉如何工作。此外，大多数的测试在实验室中进行（B.K.Higginson,Methods of running gait analysis,Curr Sports MedRep,2009年5月-6月,8（3）,第136-41页），受到限制并往往涉及创伤性的方法（如针极肌电图、活检和最大力测量）。
通常通过应用组织化学和免疫细胞化学技术来评估人体骨骼肌的生物力学特性的直接测定且估计了肌肉纤维类型的百分比。两种技术均基于肌纤维三磷酸腺苷酶（M-ATPaze）的活性和肌球蛋白重链异构体识别。两种技术都被应用于肌肉活检获得的样本，并因此被认为是创伤性的以及不适合常规应用。
由于直接方法的创伤性特点，通常根据一些间接测量方法进行肌肉功能和性质的测量。间接的方法允许估计骨骼肌或肌肉群的力量。
通常通过测量肌力或围绕特定关节的力矩来间接地检测人体骨骼肌的生物力学特性。Clarkson和Gilewich（H.Clarkson,G.Gilewich,Musculoskeletal assessment:joint range of motion and manual muscle strength,Williams and Wilkins,1989.）将“肌力”定义为在特定条件下（收缩的类型，关节角度）进行最大自主收缩（MVC）时的力或张力（由肌肉群施加的）或肌力（由单个肌肉施加的）的最大量。为了合适地进行这种（直接）测量，有必要将测量机构连接至肌腱/连接入肌腱内。虽然这样的测量已经完成，但它们并没有被应用在临床或运动实践中。
用来测量肌力或肌肉扭矩的方法仍然是个技术问题，其通过使用装置，例如手动测力计、线张力计或等速测力计来估计骨骼肌的力学特性，已在一定程度上得到解决。遗憾的是，所有的测量方法均不具有使其可普遍适用的主导优势。
手动测力计是基于液压、弹簧或应变仪的系统，并由测量者握持。个体对测量者以MVC进行拖拉。在等长或偏心条件下进行测量。该装置是便携式的，相对便宜且经济上可负担的。它的主要缺点是非选择性和肢体固定，这使得测量过程主观（依赖测量者）。此外，不能获得关于肌肉动态特性的数据（对于运动能力减弱的人非常重要）。
当使用线张力计测量装置时，通过将线的一端连接到固定的保持器，将另一端被连接到个人的肢体来测量等长肌力。此设备主要用于研究目的（研究实验室），是便宜的并且在健康个体中提供可靠的测量结果。它的缺点是，当肌力非常低时，非选择性和不足的灵敏度。同样，不能获得关于肌肉动态特性的数据。
等速测力计是用来测量以恒定速度旋转的关节处的更大的肌力。或者在等速-同心，或者在等速-偏心的条件下进行运动。在临床环境中，这种方法是用于治疗以及训练目的。设备本身是相当大的且昂贵的。用外部砝码来校准是必需的。为了正确地进行测量，设备的轴必须配合关节轴，而这几乎是不可能实现的。此外，如果测量的个体非常高或矮，就不能使用该设备。由该设备进行的测量是非选择性的，因为测量由特定肌肉施加的力或扭矩通常是不可能的；因此，只测量了活动的肌肉。对于膝盖的伸展，测得的力是指股外侧肌、股内侧肌、股直肌和腓肠肌的复合活动。“大多数等速测试机器都足以在测试过程中保持角速度不变。然而，详细的股四头肌的实时研究已表明，在测试过程中肌纤维速度和力矩臂基本上并不恒定。这意味着就产生扭矩的肌肉而言解释等速数据是非常有问题的。从这些类研究得出的结果经常被大大高估和过度解释“（B.K.Higginson,Methods of running gait analysis,Curr Sports Med Rep,2009年5-6月,8(3),第136-41页.）。因为许多因素通常是未知的，所以很难严格解释通过等速测量收集的扭矩速度数据。这些包括如下内容：
1.Muscle physiological cross-sectional area(PCSA)(T.Fukunaga,R.R.Roy,F.G.Shellock,J.A.Hodgson,M.K.Day,P.L.Lee,H.Kwong-Fu,V.R.Edgerton,Physiological cross-sectional area of human leg muscles basedon magnetic resonance imaging,J Orthop Res,1992年11月,10(6),第928-34页)
2.The fraction of the muscle's PCSA that is activated(R.M.Enoka,A.J.Fuglevand,Neuromuscular basis of the maximum voluntary force capacityof muscle,M.D.Grabiner(Ed.)Current Issues in Biomechanics,1993年,第215-235页)
3.Absolute moment arm as a function of joint angle and velocity（M.Ito,H.Akima,T.Fukunaga,In vivo moment arm determination using B-modeultrasonography,J Biomech,2000年2月,33（2）,第215-8页）。
4.Muscle fiber length as a function of joint angle and velocity（Y.Ichinose,Y.Kawakami,M.Ito,H.Kanehisa,T.Fukunaga,In vivoestimation of contraction velocity of human vastus lateralis muscle during"isokinetic"action,J Appl Physiol,2000年3月,88（3）,第851-6页）。
5.Tendon length as a function of joint angle and velocity（M.Ito,H.Akima,T.Fukunaga,In vivo moment arm determination using B-modeultrasonography,J Biomech,2000年2月,33（2）,第215-8页）。
6.Inertial properties of the joint（R.L Lieber,Isokinetic DynamometersUsed in Physical Assessment,Skeletal Muscle Structure,Function,andPlasticity,第3版,Lipincott Williams&Wilkins,2010,第119-124页）。
这些因素独立地被作为等速测力计的限制（B.K.Higginson,Methods ofrunning gait analysis,Curr Sports Med Rep,2009年5月-6月,8（3）,第136-41页）。在肌肉骨骼诊断中，不同的技术可以减少这些限制中的一些。
另一大组用来测量骨骼肌的生物力学特性的装置是基于检测特定身体部位的人体-运动速度或运动。速度参数存在于个体的日常活动中，可以在运动活动期间控制和调节，并且可以随着神经肌肉系统故障而在个体中变化。运动速度由肌肉收缩速度决定，其与产生内肌张力的速度有关并完全依赖于肌肉纤维组成。遗憾的是，很多其他因素也会影响运动速度：身体部位的质量、肌肉长度、身体状况、身体和外部温度、内摩擦、重力和其他生理因素。由于肌肉纤维组成不是影响运动速度的唯一因素，以这种方式所获得的结果的相关性是有争议的。
传统的测量装置，如动作捕捉系统、测力板和加速度计，是足以进行步态分析的方法，但有若干限制，如成本高和缺乏便携性（B.K.Higginson,Methods of running gait analysis,Curr Sports Med Rep,2009年5月-6月,8（3）,第136-41页）。
用来测量肌肉特性和肌肉骨骼疾病的其他已有的方法也有一定的局限性。科学家和医生往往对肌肉功能感兴趣。他们通过间接（主要是肌肉力矩）或直接测量来观察收缩过程中的力量发展；在大多数情况下，通过肌电图（EMG）监测电活性。
EMG仅提供一个“干涉图”，表示在电极附近的肌肉的累加电激活模式。由于肌力是高度依赖于长度（由于长度张力特性）和速度（由于力-速度特性），仅电活性单独不可能提供肌力的精确测量。此外，由于EMG累加电活性的方式不唯一代表所有激活的运动单元，因此用于推导力的EMG测量是高度可疑的（B.K.Higginson,Methods of running gait analysis,Curr Sports Med Rep,2009年5月-6月,8（3）,第136-41页;L.Gerilovsky,P.Tsvetinov,G.Trenkova,Peripheral effects on the amplitude of monopolar andbipolar H-reflex potentials from the soleus muscle,Exp Brain Res,1989,76（1）,第173-81页;B.Bigland-Ritchie,EMG/force relations and fatigue of humanvoluntary contractions,Exerc Sport Sci Rev,1981,9,第75-117页;A.L.Hof,J.Van den Berg,EMG to force processing I:An electrical analogue of the Hillmuscle model,J Biomech,1981,14（11）,第747-58页;A.L.Hof,J.Van denBerg,EMG to force processing II:Estimation of parameters of the Hill musclemodel for the human triceps surae by means of a calfergometer,J Biomech,1981,14（11）,第759-70页;A.L.Hof,J.Van den Berg,EMG to forceprocessing III:Estimation of model parameters for the human triceps suraemuscle and assessment of the accuracy by means of a torque plate,J Biomech,1981,14（11）,第771-85页;A.L.Hof,J.Van den Berg,EMG to forceprocessing IV:Eccentric-concentric contractions on a spring-flywheel set up,JBiomech,1981,14（11）,第787-92页;H.S.Milner-Brown,R.B.Stein,Therelation between the surface electromyogram and muscular force,J Physiol,1975年4月,246（3）,第549-69页）
当相同的任务由不同的个体或由同一个体在不同的日期操作时，干扰肌电图的限制之一是记录的可变性。这种可变性的两个主要的原因是，每次电极连接时记录条件变化，以及电极的记录体积通常小于参与任务的肌肉质量，（R.M.Enoka,Electromyography,Neuromechanics of humanmovement,Champaign,USA:Human Kinetics,2002,第46.55页）。
肌动图（Mechanomyography）（MMG）方法是一种相对新的无创技术，其记录和量化由活性骨骼肌肉纤维产生的低频横向振荡（T.W.Beck,T.J.Housh,J.T.Cramer,et al.,Mechanomyographic amplitude and frequencyresponses during dynamic muscle actions:a comprehensive review,BioMedEng OnLine,2005,4（1）,第67页;T.W.Beck,T.J.Housh,G.O.Johnson,et al.,Mechanomyographic and electromyographic amplitude and frequencyresponses during fatiguing isokinetic muscle actions of the biceps brachii）,Electromyogr Clin Neurophysiol,2004,44（7）,第431-444页;C.Orizio,Soundmyogram and EMG cross-spectrum during exhausting isometric contractionsin humans,J Electromyogr Kinesiol,1992,2（3）,第141-149页;C.Orizio,Muscle sound:bases for the introduction of a mechanomyographic signal inmuscle studies,Crit Rev Biomed Eng,1993,21（3）,第201-24页.;G.Gordon,A.H.S.Holbourn,The sounds from single motor units in a contracting muscle,J Physiol,1948,107（4）,第456-464页）。已提出的横向振荡是由于以下原因：
（a）在收缩或松弛期间，当肌肉朝着或远离其牵拉线运动时，总的肌肉横向运动，
（b）在肌肉的共振频率下产生的更小的后续横向振荡，和
（c）活动的肌肉纤维的尺寸变化（T.W.Beck,T.J.Housh,J.T.Cramer,et al.,Mechanomyographic amplitude and frequency responses duringdynamic muscle actions:a comprehensive review,BioMed Eng OnLine,112005,4（1）,第67页;C.Orizio,Sound myogram and EMG cross-spectrumduring exhausting isometric contractions in humans,J Electromyogr Kinesiol,1992,2（3）,第141-149页）。横向肌肉纤维振荡（在皮肤处量化为MMG）反映了运动单位活动的固有的力学特性。
对于未来的研究，重要的是在动态和等长肌肉收缩两者的过程中继续监测MMG振幅和频率响应，以全面评估MMG的潜在用途/应用（T.W.Beck,T.J.Housh,J.T.Cramer,J.P.Weir,G.O.Johnson,J.W.Coburn,M.H.Malek,M.Mielke,Mechanomyographic amplitude and frequency responsesduring dynamic muscle actions:a comprehensive review,Biomed Eng Online,2005年12月19日,4（1）,第67页）。
TMG测量技术（R.Dahmane,V.Valencic,N.Knez,I.Erzen,Evaluation ofthe ability to make non-invasive estimation of muscle contractile properties onthe basis of the muscle belly response,Medical and Biological Engineeringand Computing,2006,39（1）,第51-55页）被设计来避免人骨骼肌的生物力学的、动态的和收缩特性的创伤性或间接测量。此技术基于肌腹位移的选择性张力肌动图（tensiomyographic）测量，其中肌腹位移与肌力成比例。张力肌动图数据提供了所测的骨骼肌或肌肉群的生物力学和收缩特性。除了无创的、选择性和简单的应用，张力肌动图装置还提供了高灵敏度，其可以检测到微弱的收缩。这种收缩由被神经肌肉疾病、神经损伤或肌肉萎缩（不活动）减弱的肌肉产生。当所测量的个体是静止的且没有执行任何主动身体运动时，该测量技术和装置可以用来测量人体骨骼肌肉的特性。此外，尽管这种测量方法有无创的特点，但对于测量的个体来说，测量本身并不是完全无痛或不适的。
本发明所涉及的测量方法和装置能够测定主体（骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带）的BCVP（生物力学、收缩和粘弹性特性），BCVP是关于健康和医疗领域，以及专业运动、物理治疗和人机工程学中的重要因素。骨骼肌能够执行各种人类运动和身体活动。成功测定所有骨骼肌和相关结缔组织的BCVP保证了全面理解肌肉和骨骼系统以及一致的功能诊断。
在运动链中，由关节连接的身体各部位一起工作以提供多样化的运动。辨别这种运动链中的个别肌节的活动被称为骨骼肌和相关结缔组织特性测量的选择性。当执行测量以测定骨骼肌BCVP时，重要的是区分单肌肉收缩与肌肉群收缩。区分活动并确定骨骼肌的单个部位，例如腓肠肌的外侧和内侧部位的BCVP也是重要的。当分析这种运动链中的特定肌肉活动时，单个肌肉收缩之间的区别能够实现，例如，肌肉损伤诊断。
在原位以无创方式进行有关BCVP测定的测量也是重要的。由于骨骼肌被认为是人体的集成系统，以创伤性的方式干扰它们通常与数据采集过程的目标矛盾（例如，对运动员进行活检是毫无意义的-提取肌肉纤维样本的过程只会引起疼痛并要求最少的体育活动来允许伤口适当愈合）。此外，此过程需要的穿刺活检在许多欧洲国家是禁止的（伦理规章）。
以同样的方式并使用同一测量装置来执行关于所有骨骼肌（例如，肱二头肌、肱桡肌、比目鱼肌或斜方肌）、肌肉部位、腱和韧带的BCVP测量是方便的。骨骼肌呈不同的形状和尺寸。通过使用同一测量装置来测定不同骨骼肌的BCVP，与使用用于不同骨骼肌的不同测量装置相比，测量者可以更容易和更快地执行测量。
在不同的身体活动期间，骨骼肌负责人体运动。在进行身体活动（易变的收缩和牵拉回（retraction）顺序）时，肌肉激活模式和征召顺序可以改变。在其活动中，肌肉可以以不同目的以及在不同条件下工作。出于这个原因，与仅对静止的个体进行的测量相比，对移动的个体进行测量并检测这些肌肉活动的变化允许更全面的BCVP测定。
因此，在原位执行无创的BCVP测定对于理解骨骼肌的生物力学和收缩特性以及因此，对于更好的功能诊断提供了一个重要的步骤。
本文中所描述的测量方法和装置背后的创新依赖于进行测定BCVP的力测量。在骨骼肌活动期间，由肌肉纤维所产生的肌肉张力改变。骨骼肌能产生不同程度的收缩力，这引起不同程度的张力。使用这种新的装置，通过测量所研究的肌肉之上的个体皮肤上的力来实现张力变化的测量。使用这种创新的测量装置，能够在原位以完全无创的方式实现BCVP测定。
构成测量装置的主要部分是具有能够实现力检测的传感器端部的传感器、微处理器以及提供用于合适定位测量装置的支撑部件。根据测量方法，该装置被按压至所感兴趣的骨骼肌或肌肉部位之上的个体皮肤。该装置以按压在个体皮肤上时会导致传感器端部拉紧皮肤表面以及皮肤表面和骨骼肌之间的中间层，最终在测量主体（肌肉、肌肉部位、腱或韧带）上施加压力的方式被构造。传感器必须被适当地成形，以便它能够在适当的位置以无创的方式被压入到个体皮肤内。可以在装置中包括任何适当的测力计或测压计，以测量在传感器端部检测到的力。支撑部件连同专门设计的连接件一起提供了装置在测量的个体皮肤表面上合适的连接和固定。
通过本创新性的测量方法，测量装置可以以即使测量的个体在测量过程中进行一些运动或活动也保持平衡地连接的方式被连接到个体的骨骼肌。创新的测量装置的具体设计和其所有部件不限制测量个体的运动。因此，测量的方法和装置可以被平衡地应用于可能参与某些活动的静止和移动个体的BCVP测定。
此外，创新的测量装置的具体设计和其所有部件使该装置和测量方法可适用于所有的骨骼肌，包括大臀肌和小指肌。
该方法和装置也可以用来测定具有相似肌肉骨骼结构的其他哺乳动物和所有动物的BCVP。
使用示例的情形，通过下面的附图来详细说明本发明。
图1：测量装置的示意图。
图2：传感器和传感器端部的工作原理。
图3：测量装置的示例性应用。
图4：使用本发明测量的对电刺激的肌肉反应以及同时测量的对相同电刺激的M-波（对表面电刺激的EMG响应信号）肌肉反应的示意图。
图5：使用本发明在易变的肌肉活动期间测量的肌肉信号以及同时测量的EMG信号的示意图。
测量装置（A）在图1中给出。测量装置（A）由具有传感器端部（2）的传感器（1）、微处理器（3）以及支撑部件（4）组成。支撑部件（4）将所包括的所有测量装置部件结合在一起。所有提及的传感器部件均位于皮肤表面（5）上，并通过中间层（6）间接接触测量主体（7）。如图所示，为了测定BCVP，测量装置被按压到所感兴趣的肌肉（7）之上的个体的皮肤表面（5）。测量装置（A）以其按压到测量主体（7）之上的个体的皮肤表面（5）会导致装置传感器（1）和传感器端部（2）拉紧测量个体的皮肤表面（5）和中间层（6），最终在测量主体（7）上施加压力的方式被构造。
传感器端部（2）压入皮肤表面的深度随着测量个体的不同物理特性而变化。例如，当估计健康个体的BCVP时，装置传感器端部（2）按压至几毫米的深度。然而，当对具有高百分比体脂肪的个体执行测量时，传感器端部（2）的深度增加。如果最初的传感器端部（2）的位置不够，骨骼肌周围的其他组织和脂肪就会干扰BCVP的测定。传感器端部（2）以所需的穿透深度是无创的并且不应对个体造成任何疼痛或不适的方式被成形。
为了有效地测定BCVP，传感器端部（2）相对于测量主体（骨骼肌、肌肉部位、腱或韧带）的位置在整个测量过程中必须保持恒定-传感器端部（2）的深度在任何方向都不能改变或倾斜。如图3中所示，测量装置（A）的支撑部件（4）和专门的连接部件（8）提供了满足这些要求的定位。
装置传感器（1）可以包括任何合适的测力计或测压计，而不随着所测量的力改变端部的位置。这种测力计可包括基于压电效应的仪表，例如石英压电式力传感器和金属箔应变仪，其用于将传感器端部（2）上的压力转换成电信号，其中在传感器（1）中的电子元件的电容、电感或电阻的变化与传感器（1）所受到的应变成比例。
可以将任何其它合适的测力计结合到测量装置（A）中。计算机或微处理器（3）用于收集数据以及计算和处理测量信号。
图2示出了用于骨骼肌的BCVP测定的创新性的测量原理。该原理的特征在于下述过程：包括在测量主体（7）之上的皮肤表面（5）上定位和固定测量传感器（1），然后测量作用在传感器（1）上的力。
如图2所示，使适当成形的传感器端部（2）深入到测量主体（7）之上的皮肤表面（2）内在端部上产生力。在主体（7）活动期间，作用在传感器端部（2）上的力发生改变，主体（7）的活动由重复的收缩和牵拉回表现。如果传感器端部（2）的深度是合适的并在测量期间不变，所检测到的力的变化完全是由于测量主体（7）的活动。使用足够的装置，可测量作用在受到按压的传感器端部（2）上的力，以测定骨骼肌的BCVP或任何其他测量主体的BCVP。
所得到的由装置（A）测得的力是测量主体（7）的表面处存在的两个力的矢量和。简化的所得到的力可以通过下面的等式表示：
Fs=2*F*cos(α)
图3示出了测量装置（A）的示例性应用。测量装置（A）用专门的连接部件（8）接触骨骼肌（7）之上的皮肤表面（5）。测量装置（A）在皮肤表面（5）上的最佳位置取决于待测量的主体。测量装置（A）和方法可同样用于测定特定骨骼肌部位、腱或韧带的BCVP。在这种情况下，测量装置（A）精确地定位在感兴趣的主体上。
为了能够获得有效的BCVP测定，测量装置（A）必须牢固地接触皮肤表面（5），以确保所得到的测量结果是由于骨骼肌的活动，而不是由于传感器（1）和传感器端部（2）的运动。此外，如果测量是对进行某些活动的运动个体执行的，测量装置（A）和其连接必须不会限制个体的运动。由连接部件（8）所提供的测量装置（A）的位置必须符合个体的身体，并且必须是牢固的，防止传感器端部（2）相对于测量主体（7）移动。
符合上述要求的连接部件（8）可采取不同的形状和尺寸。合适的连接部件可以，但不限于，由带或胶布制成。也可以使用满足上述要求的任何其他连接部件。
测量方法可用于易变的肌肉活动（受到个体控制的肌肉活动）期间、电或磁刺激的肌肉活动期间或引起肌肉活动（改变粘弹性和收缩性能）的任何其他不同的方式中测量BCVP。
当测量易变的肌肉活动时，测量个体引起测量装置所连接的肌肉的活动。根据创新的测量方法测量由重复的肌肉收缩和牵拉回所表现的肌肉活动。
也可以在肌肉长度变化（拉伸缩短周期）期间测定BCVP。例如，当测量个体收缩他或她的膝盖肌（四头肌），与膝盖角度相关的肌肉张力改变。根据在此呈现的创新的测量方法和装置（A），可以通过测量力来确定肌肉张力的这种特殊的变化。
当测量对电刺激的肌肉反应时，在测量过程中使用额外的装置来刺激骨骼肌。当测定易变的活动期间的骨骼肌BCVP时，仍然可以使用如前面的例子中所示的测量装置。
所得到的BCVP测量结果在图3中示出，其由装置的计算机或微处理器（3）收集和处理。
图4示出了使用创新的测量装置和方法测得的示例性的肌肉反应。所示出的测量信号是通过电刺激肌肉活动获得的。为了比较的目的，也示出了同时测得的对于相同电刺激的M-波肌肉反应。
图5示出了使用创新的测量装置及方法在易变的肌肉活动期间获得的示例性的BCVP。所示的测量包括在一个肌肉收缩和牵拉回周期期间测得的数据。所测得的反应与同时测得的EMG信号进行比较。
到现在为止，用于测量肌力的方法已经出现重大的技术问题。目前使用的测量方法均不能提供使其可普遍适用的主导优势。
本文中描述的用于测定骨骼肌BCVP的测量方法和装置，提供了许多超过现有方法和装置的若干特有优点，使它们可普遍适用且是有用的。测量方法和装置两者均可以用于在原位进行各种主体（骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带）的无创BCVP测定。测量装置的连接不会对测量个体造成任何疼痛或不适。此外，由于测量在原位进行，肌肉BCVP测定可以定位于感兴趣的特定骨骼肌部位。创新的测量方法和装置提供了用同一装置来测定不同骨骼肌BCVP的用途。因此，与针对不同的骨骼肌使用不同的测量装置相比，测量者能够更容易和更快地进行测量。
所描述的方法可用于测定易变的肌肉活动期间的BCVP、对电或磁刺激的肌肉反应或肌肉活动的任何其他变化（粘弹性或收缩特性）。此外，测量装置的连接和测量性能并不限制个体的运动或活动。因此，对于静止以及运动的个体，可以同样进行并使用同一测量装置来测定骨骼肌的BCVP。
此外，测量方法允许在测量个体正在进行某些活动或身体运动期间测定肌肉活动的变化。这些变化包括肌肉激活模式、征召顺序、活动强度的变化以及在个体活动或运动进行期间的其他变化。因此，测量方法和装置可应用于不同活动（跑步，跳跃等）和身体运动期间的骨骼肌BCVP测定，能够更好地理解肌肉和肌肉部位的BCVP分析以及得到更好的功能诊断。
创新的测量方法和装置可以用来测定能够改变正常肌肉和骨骼系统行为的不同因素的影响，如影响中枢神经系统活动的不同的药物、刺激物以及物质。
所有上述特性均提供了创新的测量方法和装置优于当今使用的方法的明显优势。使用本方法和装置获得的测量结果是相关的且准确的，并且可有益于各种领域，如医学和物理治疗。

Claims (11)

1.一种用于选择性地且无创地测定骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带（测量主体）的生物力学、收缩和粘弹性特性的测量装置（A），包括：
具有传感器端部（2）的力或压力测量传感器（1），其被按压到所述测量主体（7）之上的皮肤表面（5）内；
微处理器（3）；以及
支撑部件（4），其提供了所述测量装置（A）在所述皮肤表面（5）上的合适定位。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述传感器端部（2）的形状和深入使得当所述传感器端部（2）被按压到所述测量主体（7）之上的所述皮肤表面（5）内时，作用在所述传感器端部（2）上的力与所述测量主体（7）的张力成比例。
3.根据权利要求1和2所述的测量装置，其中
所述测量传感器（1）可以是任何适当的测力计或测压计，其端部（2）的位置不随着所测量的力而改变。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其中
所述测量传感器（1）能够基于压电效应，例如石英压电式力传感器和金属箔应变仪，其用于将所述传感器端部（2）上的压力转换成电信号，其中在所述传感器（1）中的电子元件的电容、电感或电阻的变化与所述传感器（1）受到的应变成比例。
5.根据权利要求1-4所述的测量装置，还包括：
专门的部件（8），其用于将所述测量装置连接并固定在所述皮肤表面（5）上，通过中间层（6）间接接触所述测量主体（7）。
6.根据权利要求1-5所述的测量装置，还包括：
用于呈现和/或数据处理与作用在所述测量主体上的力的改变有关的测量结果的工具。
7.一种用于选择性地且无创地测定骨骼肌、肌肉部位、腱和韧带（测量主体）的生物力学、收缩和粘弹性特性的测量方法，其特性在于：
使用连接部件（8）将测量装置（A）定位在皮肤表面（5）上，并测量作用在被按压到所述皮肤表面（5）内的所述测量装置（A）的传感器端部（2）上的力。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其中
作用在所述传感器端部（2）上的力的测量通过使用任何适当的测力计或测压计来实现。
9.根据权利要求7和8所述的测量方法，其特征在于：
在所述测量主体的易变的活动期间进行生物力学、收缩和粘弹性特性的测定。
10.根据权利要求7-8所述的测量方法，其特征在于：
在所述测量主体的刺激活动期间进行生物力学、收缩和粘弹性特性的测定。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：
外部的电刺激、磁刺激或其它刺激。
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