Full-Body Musculoskeletal Model for Muscle-Driven Simulation of Human Gait / Мускульно-скелетная модель всего тела для мышечной симуляции походки человека: Introduction

Человеческое движение включает в себя взаимодействия между нейромускульной и скелетной системами. Понимание этих взаимодействий необходимо для проектирования терапии и девайсов для корректировки походки нуждающихся людей и повышения работоспособности людей со здоровым телом. В то время как некоторые параметры (кинематика сегментов тела, реакции и активность мышц) могут быть измерены неинвазивным путем (технологиями захвата движения, весами, ЭМГ), другие, более инвазивные средства необходимы для измерения упругости мышц [1] и контактных реакций в суставах [2].

Agentino 24.11.19 в 04:34

Биомеханические модели предоставляют альтернативным неинвазивный метод вычисления этих параметров и показывают, например, как мышцы координируют фазу движения походки [3] и способствуют поддержанию и движению массы тела [4], [5] и как мышечная координация воздействует на суставные контактные силы [6]. Исследователи систематически модифицировали модели и процессы симуляции здоровой походки, чтобы исследовать как аномалии, такие как костные деформации [7] или мышечную слабость [8], [9], которые изменяют координацию и приводят к патологическим моделям походки. Понимание роли мышц в походке дает понимание, которое затем можно использовать для планирования лечения; например, моделирование использовалось, чтобы указать, может ли операция по удлинению подколенного сухожилия улучшить походку приседания у детей с церебральным параличом [10].

Agentino 24.11.19 в 04:37

Важным соображением при создании модели скелетно-мышечной системы для моделирования и изучения движения человека является определение подходящего компромисса между сложностью модели и скоростью моделирования. Модели с вращающим моментом использовались в задачах оптимального управления [11]; Хотя эти модели обеспечивают ценную информацию и являются быстрыми в вычислительном отношении, они ограничены в своей биологической точности. С другой стороны, моделирование мышц методом конечных элементов хорошо представляет сложную мышечную геометрию, но требует больших вычислительных ресурсов [12]. Между этими крайностями находятся модели, управляемые мышцами, с мышечными приводами типа Хилла и трехмерной геометрией скелета, такие как модели, разработанные Delp et al. [13], Klein Horsman et al. [14], Arnold et al. [15] и Carbone et al. [16] (см. Таблицу 1).

Agentino 24.11.19 в 04:42

ТАБЛИЦА 1 Модели мышц нижних конечностей

Agentino 24.11.19 в 04:38

Таблица 1

Agentino 24.11.19 в 04:42

Другим важным соображением является выбор соответствующих экспериментальных данных для определения параметров модели. Модель, созданная Delp et al. широко использовался для создания управляемых мышцами симуляций походки и других движений нижних конечностей, но параметры упругости мускул (например, оптимальная длина волокна и угол наклона) основаны на двух исследованиях двух и трех тел [17], [18]. Klein Horsman et al. создал модель со всеми параметрами, взятыми из одного предмета тела [14].

Agentino 24.11.19 в 04:44

Хотя эта модель является самосогласованной, неясно, насколько хорошо этот отдельный субъект представляет другие. Эта модель была недавно обновлена ​​Carbone et al. [16] с использованием нового набора данных, состоящего из компьютерной томографии и магнитно-резонансных изображений и реализованного в системе моделирования AnyBody [19]; тем не менее, эта модель по-прежнему отражает одного субъекта-трупа и, таким образом, может не подходить для масштабирования по широкому кругу субъектов. Арнольд и соавт. [15] создали общую модель нижних конечностей, используя всеобъемлющий набор данных о мышечной архитектуре, собранных Ward et al. [20] из 21 субъекта.

Agentino 24.11.19 в 04:47

Модель, разработанная Arnold et al. [15] стала широко использоваться, но имеет два основных недостатка для использования в симуляции мышц. Во-первых, для точного представления геометрии скелетно-мышечной системы модель широко использует эллипсоидальные обертывающие поверхности [21]. Поскольку не существует решения в замкнутой форме для того, как мышечный путь наматывается на эллипсоидальную поверхность, просчет мышечных путей вычислительно дорог. Это делает эту модель непрактичной для многих движущихся вперед мышц.

Agentino 24.11.19 в 04:49

Более того, поскольку модель Arnold et al. [15] и другие модели [13], [16], [22] выводят оптимальные значения мышечной силы из измерений объема мышц у пожилых трупов со значительной атрофией мышц, распределение мышечной силы в моделях может не точно отражать распределение у молодых здоровых людей [23] - [25].

Agentino 24.11.19 в 04:50

К счастью, Handsfield et al. [26] недавно использовали магнитно-резонансную томографию (МРТ) для измерения мышечных объемов 24 молодых здоровых людей и обнаружили, что (i) общий объем мышц нижней конечности коррелирует с массой и ростом субъекта и (ii) относительное распределение отдельных мышечных объемов в пределах нижней конечности хорошо сохраняется между субъектами.

Agentino 24.11.19 в 04:52

Нашей целью было использовать ценные данные Handsfield et al. создать скелетно-мышечную модель с высококачественными представлениями о мускулатуре нижних конечностей здоровых молодых людей, подходящих для симуляции походки, и которая является достаточно быстрой в вычислительном отношении для использования в мышечных симуляциях.

Agentino 24.11.19 в 04:54

Мы создали модель всего тела с нижними конечностями, приводимыми в движение мышцами; и верхней частью тела, приводимой в действие крутящим моментом. Мышечная архитектура нижних конечностей была определена путем сочетания основанных на трупе оценок оптимальных длин мышечных волокон и углов пеннации (Пеннация – угловое отклонение между направлением мышечных волокон и линией натяжения мышцы. Плечо рычага – расстояние от оси вращения до точки приложения силы) [20] с данными по объему мышц молодых взрослых МРТ [26]. Для проверки на то, что наша модель отвечает требованиям точности и скорости, мы сгенерировали модель ходьбы и бега с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом OpenSim [27].

Agentino 24.11.19 в 05:01

Мы определили, что наша модель соответствует критериям точности, сравнив (i) мышечно-скелетную геометрию нашей модели с экспериментальными данными, (ii) наши симулированные мышечные моменты суставов с обратными динамическими моментами суставов и (iii) нашу симулированную мышечную активность с данными ЭМГ. Мы определили, что наша модель соответствует критерию скорости, рассчитав время, необходимое для генерации симуляции одного цикла походки, и убедились, что наша модель работает так же быстро или быстрее, чем другие часто используемые модели.

Agentino 24.11.19 в 05:03

Эта модель была реализована в OpenSim [27] и свободно доступна для загрузки на https://simtk.org/home/full_body/ вместе со всеми данными, использованными для создания симуляций.

Agentino 24.11.19 в 05:03