[發明專利]一種骨骼肌力學行為多尺度建模方法

有效

• 申請號: 201610555180.9
• 申請日: 2016-07-14
• 公開（公告）號: CN106202739B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 王沫楠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F19/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及骨骼肌力學行為多尺度建模方法。

背景技術

對于分析和探究骨骼肌功能的研究，目前幾乎完全集中于體內、體外實驗測試上，或者采用解剖推算法，根據肌肉起止點及其與關節之間的位置關系來判斷肌肉的作用；或者應用肌電圖配合遙測技術及快速攝影等方法，在人體做各種運動時，通過測出不同部位的肌肉活動情況，判斷肌肉的作用。由于骨骼肌復雜的解剖力學特性和實驗手段的限制，實驗結果往往只能反映骨骼肌功能的宏觀綜合特征，不能客觀判斷出宏觀表現的微觀起源，這樣的結果無法滿足醫療、體育訓練等領域深入探究骨骼肌功能的需求。已經存在的骨骼肌模型或者關注微觀細胞的化學變化，或者關注宏觀大變形和應力分布，兩種模型的發展都取得了大量的研究成果。然而，從骨骼肌力學行為的生理學機制角度看，現有模型都無法實現從細胞電生理動作電位激活到骨骼肌力學輸出的完整過程仿真，這主要是因為：缺乏從細胞膜電位變化到橫橋動力學描述的完整數學模型；缺少將肌節的興奮-收縮偶聯同整個骨骼肌纖維興奮傳導聯系起來的數學模型；缺乏對骨骼肌功能特性的考慮，如運動單位分布，運動單位募集等信息都沒有體現在模型中。

發明內容

本發明是為了解決現有技術無法實現從細胞電生理動作電位激活到骨骼肌力學輸出的完整過程仿真的問題，而提出的一種骨骼肌力學行為多尺度建模方法。

一種骨骼肌力學行為多尺度建模方法按以下步驟實現：

步驟一：肌纖維的位置和姿態的確定；

步驟二：根據步驟一建立骨骼肌宏觀幾何模型和骨骼肌微觀幾何模型；

步驟三：對步驟二建立的幾何模型進行網格劃分；

步驟四：根據步驟三進行骨骼肌電生理特性建模；

步驟五：根據步驟三和步驟四進行細胞與肌肉組織間的多尺度計算；

步驟六：根據步驟五建立骨骼肌多尺度生物力學模型；

步驟七：根據步驟六進行肌肉力預測。

發明效果：

(1)傳統骨骼肌幾何建模多集中于對肌肉整體模型的三維重建上，很少涉及微觀結構建模，更沒有將肌纖維分布等信息直接與運動單位和肌肉力的產生聯系起來。本發明基于解剖結構，借助非破壞性圖像獲取技術實現骨骼肌宏微觀幾何建模。

(2)傳統骨骼肌電生理特性仿真多以單一過程仿真研究為主，本發明建立肌節完整電生理過程模型，并能夠結合興奮傳導模型輸出肌纖維各節點細胞參數。

(3)傳統骨骼肌生物力學模型多是宏觀力學特性建模，主要是Hill模型和三維連續固體力學模型，本發明將電生理模型給出的細胞參數合并到骨骼肌力學模型中，構建骨骼肌多尺度生物力學模型。

(4)傳統肌肉力預測的計算機仿真或者采用優化方法，或者采用力-肌電關系計算，沒有考慮將微觀結構、肌纖維電生理與肌肉力輸出直接聯系起來。本發明基于模塊化的設計思路，通過對幾何模塊、電生理模塊、多尺度力學模塊的計算及模塊間的參數傳遞，依據力學行為的生理學機制實現肌肉力預測的計算機仿真。

骨骼肌多尺度模型能夠有效輸出各尺度參數和分析結果，能夠準確預測肌肉力。

本發明所構建的骨骼肌模型，融合了解剖信息、電生理信息、生物力學和部分神經生理學信息，允許對大范圍生理學參數和結構參數改變的影響進行分析，能夠揭示更多結構與功能之間的內在聯系，可以用于驗證神經生理學、電生理學、病理學、生物力學等多領域研究成果。

本發明所構建的骨骼肌模型，可用于指導利用功能性電刺激方法治療因為疾病、過長時間臥床、太空飛行和截癱造成的肌肉活動功能喪失。

本發明所構建的骨骼肌模型，結合現有的神經生理學研究成果，可以指導康復訓練模式的修正和體育訓練。

附圖說明

圖1為骨骼肌宏觀幾何建模流程圖；

圖2為特征體元示意圖；

圖3為全局坐標系與局部坐標系示意圖；

圖4為肌肉力預測計算機仿真流程圖；

圖5為骨骼肌多尺度模型與仿真整體設計方案流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：一種骨骼肌力學行為多尺度建模方法包括以下步驟：

步驟一：肌纖維的位置和姿態的確定；

步驟二：根據步驟一建立骨骼肌宏觀幾何模型和骨骼肌微觀幾何模型；

步驟三：對步驟二建立的幾何模型進行網格劃分；

步驟四：根據步驟三進行骨骼肌電生理特性建模；

步驟五：根據步驟三和步驟四進行細胞與肌肉組織間的多尺度計算；

步驟六：根據步驟五建立骨骼肌多尺度生物力學模型；