肌肉力量的量化在肌肉加强练习 在活的有机体内有着巨大的潜力协助培训设计、性能监视和伤害预防 1]。因为45.6%的伤害在力量训练在瑞士发生由于重载 2)和经常锻炼指导以及培训的建议是基于个别专家的主观经验或教练,了解外部加载的影响在内部肌肉力量训练或康复可以帮助改善运动安全。此外,内部加载条件的分析提供了一个基于证据的方法定义的具体目标和加载目标有效训练的结果,同时也减少了受伤的风险,因为更少的负载可以用来实现相同的训练效果。此外,肌肉特别能够适应他们的装载输出到周围的功能需求,因此必须妥善应对允许康复不平衡的肌肉组织的有效和安全的方式。然而,测量肌肉力量 在活的有机体内仍然具有挑战性由于运动控制的复杂性,肌肉组织的非线性材料特性,多余的肌肉驱动器的数量,和侵袭性的直接测量技术( 3]。现有力量训练指南(类型的运动,重复,集,数量等)通常是基于经验或简单的测量从测力法或表面肌电图(EMG) ( 4- - - - - - 7),但实际应力水平基于肌肉力量和肌肉横截面积的措施,提供直接证据的有效性和安全性,特定的训练,已经很难获得( 8, 9]。

目前还不可能测量肌肉力量在运动性能实验 在活的有机体内从选择和数据测量技术并没有足够的推导内力和力矩对于复杂的动态系统,如下肢,以直接的方式( 10]。常见的测量技术在人类运动分析和体育科学包括表面EMG、光学运动捕捉,并强制措施,例如,测力计或力平台( 8]。测力法经常被用来确定强壮和力量在开放链腿伸展或弯曲练习( 6]。然而,强壮和力量是标量变量,只提供有限的见解实际发生的肌肉力量在内部,特别是考虑到国米,肌肉活动的复杂性和协调与自由重量器械或multijoint动态训练( 6]。另一方面,表面肌电图提供了一个很好的洞察肌肉活动水平在功能运动性能相比,从测力法中获得力量和权力的措施。然而,尽管EMG肌肉功能提供更具体的信息与测力法相比,它还提供了足够的数据来推断肌肉力量大小( 7),尤其是在分析动态运动( 11]。

计算模型的肌肉骨骼系统因此需要提供一个外部测量数据和内力和力矩之间的联系(图 1)。肌肉骨骼模型技术开发并广泛应用于临床和生物力学步态分析,特别是研究下肢动力学。为了预测运动时肌肉力量,计算模型捕获肌肉骨骼系统的解剖,以及生理力产生肌肉组织的性质,然后与目标运动内部肌肉力量通过牛顿运动定律 13]。其他参数,如个人比率的增大和slow-twitch纤维在每个肌肉或肌肉与脂肪量在段内,可以考虑在一个优化过程,提高模型的精度,但其复杂性(图 1)。

根据模型复杂性、可用的实验数据和研究目标,动态方程组(来自牛顿第二运动定律)可以以不同的方式来解决,包括正向动力学( 12, 14- - - - - - 20.],逆动力学[ 7, 13, 21- - - - - - 24[],EMG-driven分析 4, 5, 25, 26]。使用动态,一组肌肉激活模式通常选择作为输入为生理肌肉模型获得的肌肉力量。肌肉力量应用于刚体骨骼模型来估计联合时刻或关节角(图 1)。相比之下,逆动力学使用来自实验测量数据包括皮肤标记位置和地面反作用力作为输入到一个刚体骨骼模型计算联合网的时刻。此外,使用优化流程和肌肉骨骼模型,联合部队和时刻可以计算逆动力学分析的结果。EMG-driven分析使用定额的肌肉激活水平肌电图测量除了皮肤标记位置和地面反作用力来提高肌肉力量的估计震级的肌肉骨骼模型。不幸的是,未知的肌肉力量,导致一个特定的运动通常超过已知的参数实验测量,导致冗余系统方程,需要使用各种优化技术( 4, 12, 20., 24, 26)(图 1)。

改进的知识具体肌肉力量行为在力量训练可以帮助教练和运动员提高培训协议,以及物理治疗师和患者进行康复练习在一个高效和安全的方式。而且肌肉力量的知识可以作为连续体器官内边界条件模型,以评估的生物变化组织如肌肉,骨骼,肌腱由于机械刺激的强度训练。然而,当前的方法推导肌肉力量通常是复杂的,需要大量的专业知识计算模型。文献的综述,我们非专家介绍目前肌肉骨骼模型技术来确定肌肉力量(通常的下肢)在力量训练 在活的有机体内并讨论其潜在的应用以及局限性体育实践为了协助培训的建议和指导方针。通过这种方式,本文旨在导致一种改进的理解现有的计算技术,从而提供一个基础为未来的发展和更广泛和通知应用程序可用的生物力学工具。最终,深入的生物力学分析的结果将帮助定义目标,以证据为基础的指导方针,教练和理疗师执行力量锻炼的有效和安全的方式。

一个系统的美国国家医学图书馆电子文献检索是在2013年8月进行的。四个结合概念包括不同的搜索参数被用来系统地搜索文献(表 1)。总共77篇论文被发现符合这四个概念,并进一步评估资格被包括在审查基于以下排除标准:(1)没有在测量下肢功能锻炼强度,或(2)结果仅限于肌电图数据,最大的自愿等长收缩,或净联合时刻没有采用计算模型来确定肌肉力量,或(3) 体外研究。的77篇论文,共12篇文章资格审查。文章主要是排除因为结果仅限于从肌电图测量数据或测力法,没有采用肌肉骨骼模型技术来确定肌肉力量或其他内力。额外的研究被排除在外,因为肌肉力量分析在力量训练或以外的活动 体外在尸体标本上执行。力量训练是定义为一个体育锻炼,引起肌肉收缩增强力量,无氧耐力或骨骼肌大小。包括论文的引用进一步寻找相关工作包括相同的标准。一个额外的9篇论文被发现在引用和包括在审查过程中。最终,21个研究的全文文章被包括在审查中。

肌肉骨骼模型与不同级别的解剖细节和计算复杂度也已经被开发出来,以确定在强度锻炼下肢肌肉力量 在活的有机体内(表 2)。21个研究分为三个类别,包括9进行动力学仿真,研究2研究采用准静态逆动力学优化,和10个研究概述混合逆/向前动力学研究(1)或混合逆动力学/替代方法包括EMG-driven造型研究(9)(表 2)。正向动力学模拟主要是用于研究动态弹道运动练习蹲跳等,而静态逆动力学优化技术或替代方法一直采用分析低速练习如刺或腿压的假设下,在每个段“微不足道的加速。“尽管Pearsall和科斯蒂根( 30.]表明,准确的净时刻可以通过使用静态方法在低速运动,一些研究已经使用一个真正的逆动力学方法与包含段的加速度和转动惯量( 31日- - - - - - 34]。所有方法的共同点,他们利用多体动力学的物理原则(牛顿运动定律)和依赖于准确的表征肌肉骨骼解剖学和生理学准确预测目标运动引起的肌肉力量(图 1)。

理解内部的相关性在力量练习肌肉力量变得清晰时检查广泛的研究和研究在文献中报道的问题。肌肉骨骼造型技术已经应用于力量训练分析改变肌肉运动生理性能的影响(生理) 14, 17, 20.),执行运动对肌肉和关节的影响力量(最佳选择的运动以避免受伤) 4, 5, 21- - - - - - 23的内部装载状态,大小不同的人使用相同的运动机器(设备)的安全性和有效性 28]。肌肉薄弱之处,两国不对称,或改变运动性能已被证明导致改变和有害的内部组织加载不能调查基于外部观察或简单的测量。

准确评估风险的力量练习,和后续的设计有效的锻炼计划,取决于肌肉力量和关节负荷的准确估计目标运动。介绍了不同的数值技术来确定在力量训练下肢肌肉力量 在活的有机体内,包括(1)正向动力学分析研究动态弹道运动练习蹲跳等,(2)静态逆动力学优化研究低速运动,如刺或腿出版社,和(3)替代方法如EMG-driven造型。所有的方法都是受到外部的限制可测量的数据和肌肉骨骼系统的复杂性,也就是说,不确定性质的模拟问题。正向动力学分析依赖于优化算法来找到最合适的组肌肉活动的水平,导致所需的运动模式,而肌肉力计算逆动力学分析的要求优化算法分配净联合时刻在协同和拮抗肌肉生理的方式。

由研究结果综述生物力学原则提供了洞察潜在力量训练,否则不可能。使用肌肉骨骼模型技术、卫生保健相关因素可被检测到。例如,co-contraction腘绳肌和股四头肌的力量在蹲和压腿可以显著影响十字韧带的张力( 21- - - - - - 23),进而建立安全有效的康复计划的一个关键因素。此外,肌肉骨骼模型的结果提供了运动性能的相关因素,如刺激之间的肌肉活动延迟发作的时候近端肌肉和跖屈肌在蹲跳和跳高度影响赤字( 18]。最后,获得的知识从计算研究有助于支持并建立培训和伤害预防建议。例如,减少股四头肌肌肉力量在长弓步相比短步步骤弓步的信念支持临床医生和教练,前膝盖翻译期间除了脚趾向前突进可能有害于髌骨关节( 4]。

本质上,提出动态仿真系统的试验和错误的方法,可能代表了一个运动员的过程优化控制的肌肉招聘最佳性能和生理力量爆发力蹲跳等( 12]。基于正向动力学预测分析提供了一种强大的工具来阐明神经激活变化的影响,肌肉生理学、或联合对齐性能输出。因此,预测分析有相当大的潜力提高力量训练指南,而不需要大量的试验测量单个对象。正向动力学仿真相比,准静态逆动力学计算效率和优化技术不依赖于肌电图测量。特别是,基于最大化肌肉耐力的静态优化技术(减少压力)已经被广泛接受评估下肢肌肉力量在行走和爬楼梯 36, 42]。应用程序相同的技术力量训练可以有效准静态演习时,训练的目标是最大化力量耐力。然而,静态优化技术通常不足以预测敌对的肌肉活动,不出现压力最小化的目标,而是稳定关节和维护共同的完整性( 43]。EMG-driven模型提供了一个替代的静态优化技术,特别是确定肌肉力量后受伤或肌肉疲劳,肌肉招聘模式可能会改变。然而,EMG-driven模型受到广泛的验证试验制定有效的肌肉模型参数,和困难留在EMG电极的位置,信号归一化和过滤器的选择。

不幸的是,它仍然是具有挑战性的证实肌肉骨骼模型准确地复制肌肉力量的有效性由于内部的侵袭性的测量技术。例如,除了tendon-force测量在手术过程中( 36)或遥测植入物( 42, 44),一个黄金标准模型验证仍然缺乏。为了解决这个问题,生物力学研究人员组成的国际财团已经收到了美国国立卫生研究院资助组织一系列的五个“大挑战比赛预测 在活的有机体内膝关节负荷” 45]。我们的目标是预测竞争对手 在活的有机体内膝盖内侧和外侧接触力为特定运动试验收集的对象与力测量胫骨假体植入。肌肉力量的主要决定因素关节接触力,从而检测植入数据提供一个直接的验证关节接触力和肌肉力量的一个间接的验证。肌肉骨骼模型的验证通过检测关节植入物在骨科研究证明无价的,例如,作为标准化的基础临床前测试( 42];然而,检测移植只被用于老年人分析联合加载期间的日常活动,如步行或踩步,因此没有用于训练和运动的问题,涉及到动态弹道运动负荷条件和/或影响。

重要的是要注意,所需的模型复杂性程度依赖于特定的研究问题。简化对运动、解剖学和生理学往往需要以减少计算成本。然而,肌肉骨骼模型与简化通用的材料属性为某些情况下可能导致无效的结果。例如,膝盖绑架期间角跳着陆任务被证实是一个女运动员前交叉韧带损伤风险的预测( 46),所有转动自由度都应该参与到膝关节前交叉韧带损伤康复期间;或测量EMG信号之间的关系和实际小腿三头肌的肌肉力量是不同偏心与同心收缩阶段的独腿完全负重脚踝足底和背屈运动( 7]。这些研究表明,转动自由度的关节,或contraction-specific EMG-to-force关系,可能需要在特定的情况下改善建模结果。理想情况下,模型的复杂性对仿真结果的影响评估之前做出任何结论。

肌肉骨骼模拟的局限性仍然在准确的捕捉与解剖学(如段长度、自由度,和肌肉路径)和生理(如Hill-type肌肉、force-length和force-velocity关系)。因此,肌肉的解剖和生理参数如PCSA从尸体的测量主要采用一些老年人体(5尸体标本,平均年龄79.2年赫尔佐格和阅读 47),或2男性尸体标本,平均年龄82年足迹和同事 48])和扩展基于几个科目的尺寸测量。劳埃德和Besier 26]介绍了更广泛的技术校准EMG-driven模型与条件;然而,校准过程的生理基础是质疑,似乎相当乏味的应用体育实践。在更广泛的领域的人体运动分析,努力增加指向发展中高效的计算技术基于磁共振图像创建科目的解剖模型( 49, 50]。这些技术的未来应用力量训练可以提供一个基础分析个体差异的影响肌肉运动生理学和解剖学的性能。此外,与定制的肌肉模型属性可能是基于从超声波辅助参数或测力法。这些参数包括肌肉纤维的类型、最大等长或动态肌肉力量,或生理性能参数如最大力量。

巨大的努力已经指向将肌肉骨骼模型技术转化为用户友好的工具来促进他们的应用程序在临床和体育实践。特别是,OpenSim开源软件,开发和维护 https://simtk.org/由美国国立卫生研究院国家中心的基于物理的模拟生物结构(美国Simbios,斯坦福大学,CA),大大促进了吸收计算生物力学的非专家( 10]。OpenSim提供了一个用户友好的界面耦合动力学,准静态逆动力学,EMG-driven造型和科目的实验数据来计算人体运动时关节和肌肉动力学。易于使用和免费软件的发展如OpenSim标志着一个重要的一步的更广泛应用先进的计算机技术对提高力量训练的有效性和安全性。有趣的是,只有少数研究报告实际肌肉力值,尽管许多列出了计算技术,导致肌肉力量(的计算表 2)。看来,肌肉力量往往只用作为中间参数分析,例如,最大向前跳高度通过动力学仿真或量化联合部队,时刻通过逆动力学分析。结果,似乎肌肉力计算提供证据的潜在力量训练计划的有效性和安全性还没有完全理解,可能由于验证的困难提出解决方案,从而为吸收解释有限的信心。

代理肌肉力量的知识在力量训练基于肌肉骨骼模型提供了一种手段建立有效和安全培训指导方针来实现特定的目标如改善肌间的协调,监控肌肉变化,消除或防止不平衡的肌肉适应,指出损伤预测,提高效率和安全的健身设备。在未来,有可能在运动模型与加载条件,进一步使用肌肉力量作为有限元边界条件预测连续介质模型,以评估生物组织适应训练。现有的肌肉骨骼模型技术的应用下肢的力量训练是特别有吸引力,因为标准化的条件和简单的运动模式,往往与力量练习。一个关键因素,肌肉骨骼模型的适用性和吸收技术临床和体育实践似乎缺乏实验验证解决方案的内力,应力和压力 在活的有机体内。跨机构的举措,比如大挑战来确定 在活的有机体内膝盖负担,应该扩展到包括更多的对象在不同的年龄段和一系列不同的活动,包括力量练习。成功模型验证之后,肌肉力量的量化在力量训练基于逆和转发动态分析将有助于改善目前的训练指导教练的好处,临床医生、运动员,和患者的喜爱。