[发明专利]一种骨骼肌力学行为多尺度建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及骨骼肌力学行为多尺度建模方法。

背景技术

对于分析和探究骨骼肌功能的研究，目前几乎完全集中于体内、体外实验测试上，或者采用解剖推算法，根据肌肉起止点及其与关节之间的位置关系来判断肌肉的作用；或者应用肌电图配合遥测技术及快速摄影等方法，在人体做各种运动时，通过测出不同部位的肌肉活动情况，判断肌肉的作用。由于骨骼肌复杂的解剖力学特性和实验手段的限制，实验结果往往只能反映骨骼肌功能的宏观综合特征，不能客观判断出宏观表现的微观起源，这样的结果无法满足医疗、体育训练等领域深入探究骨骼肌功能的需求。已经存在的骨骼肌模型或者关注微观细胞的化学变化，或者关注宏观大变形和应力分布，两种模型的发展都取得了大量的研究成果。然而，从骨骼肌力学行为的生理学机制角度看，现有模型都无法实现从细胞电生理动作电位激活到骨骼肌力学输出的完整过程仿真，这主要是因为：缺乏从细胞膜电位变化到横桥动力学描述的完整数学模型；缺少将肌节的兴奋-收缩偶联同整个骨骼肌纤维兴奋传导联系起来的数学模型；缺乏对骨骼肌功能特性的考虑，如运动单位分布，运动单位募集等信息都没有体现在模型中。

发明内容

本发明是为了解决现有技术无法实现从细胞电生理动作电位激活到骨骼肌力学输出的完整过程仿真的问题，而提出的一种骨骼肌力学行为多尺度建模方法。

一种骨骼肌力学行为多尺度建模方法按以下步骤实现：

步骤一：肌纤维的位置和姿态的确定；

步骤二：根据步骤一建立骨骼肌宏观几何模型和骨骼肌微观几何模型；

步骤三：对步骤二建立的几何模型进行网格划分；

步骤四：根据步骤三进行骨骼肌电生理特性建模；

步骤五：根据步骤三和步骤四进行细胞与肌肉组织间的多尺度计算；

步骤六：根据步骤五建立骨骼肌多尺度生物力学模型；

步骤七：根据步骤六进行肌肉力预测。

发明效果：

(1)传统骨骼肌几何建模多集中于对肌肉整体模型的三维重建上，很少涉及微观结构建模，更没有将肌纤维分布等信息直接与运动单位和肌肉力的产生联系起来。本发明基于解剖结构，借助非破坏性图像获取技术实现骨骼肌宏微观几何建模。

(2)传统骨骼肌电生理特性仿真多以单一过程仿真研究为主，本发明建立肌节完整电生理过程模型，并能够结合兴奋传导模型输出肌纤维各节点细胞参数。

(3)传统骨骼肌生物力学模型多是宏观力学特性建模，主要是Hill模型和三维连续固体力学模型，本发明将电生理模型给出的细胞参数合并到骨骼肌力学模型中，构建骨骼肌多尺度生物力学模型。

(4)传统肌肉力预测的计算机仿真或者采用优化方法，或者采用力-肌电关系计算，没有考虑将微观结构、肌纤维电生理与肌肉力输出直接联系起来。本发明基于模块化的设计思路，通过对几何模块、电生理模块、多尺度力学模块的计算及模块间的参数传递，依据力学行为的生理学机制实现肌肉力预测的计算机仿真。

骨骼肌多尺度模型能够有效输出各尺度参数和分析结果，能够准确预测肌肉力。

本发明所构建的骨骼肌模型，融合了解剖信息、电生理信息、生物力学和部分神经生理学信息，允许对大范围生理学参数和结构参数改变的影响进行分析，能够揭示更多结构与功能之间的内在联系，可以用于验证神经生理学、电生理学、病理学、生物力学等多领域研究成果。

本发明所构建的骨骼肌模型，可用于指导利用功能性电刺激方法治疗因为疾病、过长时间卧床、太空飞行和截瘫造成的肌肉活动功能丧失。

本发明所构建的骨骼肌模型，结合现有的神经生理学研究成果，可以指导康复训练模式的修正和体育训练。

附图说明

图1为骨骼肌宏观几何建模流程图；

图2为特征体元示意图；

图3为全局坐标系与局部坐标系示意图；

图4为肌肉力预测计算机仿真流程图；

图5为骨骼肌多尺度模型与仿真整体设计方案流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种骨骼肌力学行为多尺度建模方法包括以下步骤：

步骤一：肌纤维的位置和姿态的确定；

步骤二：根据步骤一建立骨骼肌宏观几何模型和骨骼肌微观几何模型；

步骤三：对步骤二建立的几何模型进行网格划分；

步骤四：根据步骤三进行骨骼肌电生理特性建模；

步骤五：根据步骤三和步骤四进行细胞与肌肉组织间的多尺度计算；

步骤六：根据步骤五建立骨骼肌多尺度生物力学模型；