人类小腿骨通过屈曲波谱分析实现无创负荷测量

骨骼传递的力量在人类生物力学中通常被研究，但在实验室之外实现非侵入式测量具有挑战性。我们介绍了一种用于非侵入式、体内测量小腿骨压缩力的技术，该技术通过小腿骨中传播的屈曲波来实现。我们将小腿骨建模为轴向压缩的 Euler-Bernoulli beam，证明小腿屈曲波的频谱随负荷而变。 Specifically，在生理条件下，波加速度谱的峰位置随小腿压缩力的线性变化，可用作压缩力的代理值。我们使用一种证明概念贴肤的可穿戴系统来测试该技术的有效性，该系统通过皮肤贴装的机械换能器产生屈曲波，并通过皮肤贴装的加速度计测量这些波的频谱。与 beam 理论一致，来自 9 名受试者的数据显示，小腿压缩力与谱峰位置之间存在线性关系，其皮尔逊相关系数 $r=0.82 - 0.99$（平均 $r=0.93$）用于 medial-lateral 摆动，$r=0.81 - 0.98$（平均 $r=0.93$）用于行走试验。这种屈曲波技术可能催生一种新的可穿戴传感器类，用于非侵入式生理骨骼负荷监测和测量，对于人类运动和运动医学研究具有重要影响。