آنالیز ارتعاشات بافت عضلانی بدن انسان به منظور تشخیص خستگی و تعیین پارامترهای بهینه کفش ورزشی

بدن انسان را در هنگام دویدن می¬توان یک سیستم ارتعاشی در نظر گرفت که تحت بارگذاری ضربه¬ای تکراری قرار دارد. این بارهای ضربه¬ای حاصل عکس¬العمل زمین به نیروی وارده از طرف کف پا در فاز فرود است. نشان داده شده است که قرار گرفتن عضلات و استخوان¬ها در معرض این بارگذاری تکراری می¬تواند در آسیب¬های وارده به دستگاه اسکلتی-عضلانی بدن موثر باشد. به طور معمول، سیستم عصبی مرکزی بدن انسان در کنترل این بارها و در کنترل ارتعاشات عضلات از طریق تنظیم مشخصات مکانیکی عضلات نقش مهمی را ایفا می¬کند. پدیده¬ای که تحت عنوان الگوی تنظیم عضلات نامگذاری شده است. اما فرض شده است که با افزایش میزان خستگی دوندگان، توانایی سیستم عصبی مرکزی در کنترل مشخصات مکانیکی عضلات کاهش پیدا می¬کند که می¬تواند منجر به افزایش خطر آسیب به بدن در دویدن طولانی مدت شود. از طرفی، نقش کفش ورزشی به عنوان یک بستر الاستیک در کاهش بارهای ضربه¬ای و ارتعاشات مضر، می¬تواند مهم باشد. در این پایان¬نامه در وهله اول، به مطالعه ارتعاشات عضلات پایین¬تنه در دویدن پرداخته شد. یک روش پیشنهادی بر مبنای peemd برای استخراج مدهای ارتعاشی و پارامترهای مربوط به میرایی این عضلات ارائه گردید. نشان داده شد که روش پیشنهادی، به خوبی قادر به یافتن مشخصه میرایی، نسبت میرایی و اتلاف انرژی حاصل از میرایی برای مدهای مختلف ارتعاشی بافت نرم عضلانی در وضعیت ارتعاشات اجباری ناشی از نیروی عکس¬العمل زمین در هنگام دویدن می¬باشد. نشان داده شد که مشخصه میرایی مدهای فرکانس-بالا، به مقدار قابل توجهی بیشتر از مدهای فرکانس-پایین هستند که می¬تواند نتیجه فعالیت عضلات باشد. همچنین نشان داده شد که اتلاف انرژی حاصل از میرایی برای مدهای فرکانس-پایین، بسیار بیشتر از مدهای فرکانس-بالاست. نتیجه دیگر این بود که نسبت میرایی تمام مدهای استخراج شده، کمتر از یک بوده و در نتیجه ارتعاشات سیستم عضلات در وضعیت زیرمیرا قرار دارد. در گام بعد، ارتعاشات بافت نرم عضلانی در حالت خستگی ناشی از دویدن طولانی مدت، بررسی شد. با استفاده از تبدیل موجک و از طریق محاسبه نزول توان موجک¬ها در زمان، مقدار میانگین میرایی بافت نرم عضلانی در هنگام دویدن برای دو حالت بدون خستگی، و خستگی، محاسبه و مقایسه شد. نتایج، حاکی از آن بود که میرایی بافت نرم عضلانی در اثر خستگی افزایش می¬یابد. همچنین با کاربرد تبدیل فوریه، نشان داده شد که دامنه مدهای مختلف ارتعاشی، در اثر خستگی افزایش می-یابد. علاوه بر این، نشان داده شد که فرکانس طبیعی بافت نرم عضلانی در اثر خستگی کاهش می¬یابد. نهایتا مشخص شد که اتلاف انرژی حاصل از میرایی در اثر خستگی کاهش می¬یابد که با افزایش دامنه ارتعاشی در توافق کامل است. در وهله دوم، نتایج به دست آمده از تست¬های تجربی، برای تکمیل مدل ارتعاشی دویدن به کار برده شد. یک الگوریتم دو مرحله¬ای برای شبیه¬سازی رفتار سیستم عصبی مرکزی در تنظیم بهینه عضلات در هنگام دویدن پیشنهاد شد. نشان داده شد که استفاده از الگوریتم پیشنهادی، به نتایج منطبق بر نتایج تجربی می¬انجامد. سپس با استفاده از الگوریتم پیشنهادی، به طراحی بهینه پارامترهای ارتعاشی کفش ورزشی در حالت بدون خستگی و خستگی شدید پرداخته شد. نشان داده شد که بر اساس بهترین کارکرد سیستم عصبی مرکزی، منطقه¬ای از پارامترهای کفش را می¬توان یافت که احتمالا خطر آسیب¬های ورزشی کمتر باشد. این منطقه، تحت عنوان منطقه امن، نامگذاری شد. علاوه بر این، مطالعه پارامتریکی نیز برای بررسی اثرات تغییر در توزیع جرم بدن و سرعت تماسی پا با زمین بر منطقه امن طراحی بررسی شد. نتایج نشان داد که این منطقه، شدیدا به نسبت جرم صلب به جرم غیرصلب پایین¬تنه و سرعت تماسی پایین¬تنه حساس می¬باشد. ملاحظاتی که می¬تواند در طراحی بهینه کفش ورزشی، بسیار مهم باشد. به طور کلی، نتایج این پایان¬نامه می¬تواند در طراحی سیستم¬های تشخیص وضعیت ورزشکاران، طراحی بهینه کفش ورزشی و تشخیص میزان آمادگی ورزشکاران مورد استفاده قرار گیرد.