文摘

有限的弹性理论一直常用的模型骨骼肌。一个非常大的范围的法律提出了异构本构。在评估中,使用最广泛的连续介质模型骨骼肌形成和讨论。趋势和这些法律被高亮显示的局限性提出新的对未来研究的建议。进行系统的审查过程使用PubMed和ScienceDirect两个可靠的搜索引擎。40代表研究(13被动肌肉材料和27个活跃的肌肉材料)被包括进这篇评论。注意排除标准包括肌腱模型、分析模型、一维几何模型,补充论文和会议论文编入索引。当前趋势骨骼肌与3 d建模准确肌肉表示,被动肌肉建模、参数识别和集成耦合的生物物理现象。为活性材料参数识别,认为纤维分布,数据的假设和模型验证是目前的缺点。新建议处理的多通道数据来源于医学成像,集成更多的生物物理现象,重现性和模型。 Accounting for data uncertainty in skeletal muscle modeling will be also a challenging issue. This review provides, for the first time, a holistic view of current continuum models of skeletal muscles to identify potential gaps of current models according to the physiology of skeletal muscle. This opens new avenues for improving skeletal muscle modeling in the framework of in silico medicine.

1。介绍

人类骨骼肌的运动人体的运动功能。这个特定的活组织复杂的多尺度和层次体系结构(即。,from fibers to myofibrils, sarcomeres, and contractile proteins (actin and myosin)) and function (e.g., voluntary contraction control) [1- - - - - -4]。层次一束束的组装纤维和纤维,由原胶原分子的螺旋结构,是骨骼肌的基本成分。分层的组织纤维及其激活机制使整个肌肉收缩。此外,被动矩阵的结缔组织贡献力量以合作的方式生成过程中纤维。进步激活骨骼肌激活机制开始的时间和空间的多个电机单元(μ)由于神经命令生成通过运动神经元轴突的神经系统。招募μ的数量、大小、形态、和他们的行为(例如,燃烧率或模式)确定激活水平和生产机械力(5]。还请注意,动作电位传导(即允许电压特异性蛋白质。,sarco(endo) plasmic reticulum ATPases SERCA2a in the sarcoplasmic reticulum) to change its shape to open calcium release channel. Then, calcium ions bind to troponin to change its shape allowing tropomyosin to move to the actin side to enable the contraction process at the sarcomere level. Myosin reaches forward, binds to actin, contracts, and releases actin. Then, this protein reaches forward again to bind actin in a new cycle. This interactive and cycling process allows muscle mechanical force to be produced [1,6,7]。骨骼肌展品一般非线性行为在动态运动。关键实验来描述的骨骼肌在体外以及在在活的有机体内条件(8- - - - - -11]。然而,由于骨骼肌的复杂性,一些物理量不能以非侵入性的方式。例如,力分布和内在组织内部应力各向同性和各向异性下的骨骼肌收缩是当前不可估量的数量在活的有机体内条件。骨骼肌的数学建模是当前工程解决方案来估计这些量(12- - - - - -14]。

的一个具有里程碑意义的数学模型骨骼肌激活,收缩,迫使提出了从1938年的著名实验由希尔阐明肌肉工作和收缩速度的现象。基于这一原始发现,1 d统括参数模型的肌肉收缩,迫使了(15),这个模型已广泛应用于刚体肌肉骨骼模型(14]。尽管其紧凑的配方只有5参数和计算优势,这个1 d统括参数模型不能描述复杂的结构和功能关系的骨骼肌以精确的方式,特别是在肌肉疾病的情况下(例如,营养不良或痉挛状态)16- - - - - -20.]。探讨骨骼肌的复杂性质,连续介质力学方法被使用。骨骼肌通常被建模为一个非齐次和几乎不可压缩的身体。一系列简单的弹性材料的本构规律复杂的多尺度chemo-electro-mechanical材料提出了(21- - - - - -23]。然而,这些连续介质模型是不同的,很难说明常见的建模方面和识别潜在的缺口的真正生理骨骼肌。缺乏系统评价的连续介质模型。这些信息可能会允许模型的正确的选择为一个特定的案例研究。此外,模型参数覆盖很大范围的值。因此,目前使用范围的确定可用的值如果是必要的建模与仿真在未来骨骼肌。

目前的审查研究的目的是合成和讨论骨骼肌的广泛使用的连续体模型在文献中。开发模型制定相关有用的信息和参数也有相关报道。此外,趋势和这些模型的局限性突出提出新的挑战对未来研究的建议。

2。骨骼肌的连续介质模型

2.1。复习方法

系统回顾过程申请本研究使用两个可靠的生物医学文献搜索引擎PubMed和ScienceDirect。使用最广泛的连续介质模型骨骼肌被识别和检索。特定的关键词(肌肉有限元建模,横向各向同性超弹性的肌肉模型,肌肉模型,肌肉纤维增强肌肉模型,应力分析)使用。应用审查过程的流程图如图1。首先,元数据(如标题、来源)每篇论文最初的筛选确定检索论文。所有无关的文件(如解剖学、实验,其他肌肉组织(心脏、血管平滑和子宫))被排除在外。检查论文的数量从142年的492文件检索。然后,一位经验丰富的生物力学专家的肌肉骨骼系统建模扫描所有检索结果使用抽象信息选择最相关的研究。最后,40代表研究(13被动肌肉材料和27个活跃的肌肉材料)都包含在本文中。注意排除标准包括肌腱模型、分析模型、一维几何模型,补充论文和会议论文编入索引。因此,资格标准侧重于肌肉模型开发和实现3 d几何图形。本构模型与复杂的肌肉也包括在网络审查。注意,搜索时期从1998年到2017年成立。


图1
审查过程的流程图骨骼肌的连续体建模。

一个共同的结构(即。,related reference with first author name and the year of publication, muscles, geometries, constitutive laws, simulations, and validation) was used to summarize all retrieved papers. This common structure allows integrating and aggregating the information about the analyzed continuum models: what are the research group and year of work, what are the muscles modeled, how to obtain the geometries, what are the constitutive laws to be used or implemented, and what are the performed simulations and the validation process (if exists) of the developed skeletal muscle models. All analyzed papers were classified into two categories: skeletal muscle as a passive material and skeletal muscle as an active material. A summary of all used and developed continuum models of skeletal muscles was provided to establish common aspects as well as to identify the gaps according to the real physiology of skeletal muscles. Then, respective trends and weaknesses of these models were analyzed and presented. Finally, new challenging recommendations were provided for future researches.

2.2。骨骼肌作为一个被动的材料

数学公式的骨骼肌生理是一个复杂的工程任务。特别是,几乎所有生理方面的考虑是困难的。最困难的任务之一,与骨骼肌的活动行为的集成。然而,这将导致复杂模型制定和重要的计算成本。因此,只有被动行为的建模(例如,consideration of passive matrix of connective tissues and assumption of sarcomere length change in a passive manner) of the skeletal muscle is an acceptable solution under some specific conditions (e.g., virtual surgery simulation where skeletal muscles exhibit commonly a passive behavior or to simulate在体外测试的肌肉被动行为)。经典材料法律已经被用于建模骨骼肌(表的被动行为1和2)。最简单的线性弹性本构行为是法律,用于模型的面部肌肉一般状态(例如,口轮匝肌、颧肌主要和次要,颊肌,risorius或压板鼻翼肌)和模拟颌面外科22]。该模型假设骨骼肌展品作为外部机械刺激下弹性固体。它可能会指出,只有被动的状态和相关矩阵的纤维成束结缔组织被认为是在这个模型公式。然而,重要的是要注意,这个模型也各向异性包括应变能的公式来描述骨骼肌的活动状态(请参阅部分2。3看到这个活跃组件的描述)。面部肌肉在一个更复杂的建模方式使用光纤和正交策略弹性材料(24)或非线性elastic-viscoplastic模型(21]或正交弹性材料(25)或超弹性的材料使用Mooney-Rivlin配方(26]。此外,骨骼肌在上肢(肩胛下肌、上、冈下),脊椎和下肢(ischios、股四头肌、股薄肌、缝匠肌、腓肠肌、股二头肌)建模通常使用超弹性的材料(27)(基于新虎克公式(28- - - - - -30.)或基于Mooney-Rivlin配方(26,31日,32])或非线性粘弹性材料(33)或visco-poroelastic材料(34]。事实上,使用超弹性的模型假设骨骼肌展览大变形(> 5%)的行为根据外部诱惑而visco-poroelastic法律允许囊性纤维成束和结缔组织中考虑模型公式。最后,正交弹性材料允许纤维取向被定义在两个不同的方向与两种不同的本构参数。只有两个参数需要最简单的线性弹性法律或超弹性的法律基于新虎克配方。使用基于Mooney-Rivlin超弹性的法律的制定需要三个参数。注意,模型参数数量的增加,越来越多的生物物理现象列入本构规律。例如,三个主要参数制定visco-poroelastic所需材料(34]。需要6个参数定义了非线性elastic-viscoplastic模型(21]。常见的被动结果肌肉材料是肌肉压力和压力。

表1
本构规律对被动肌肉建模(I)。
表2
本构规律对被动肌肉建模(II)。

各自的本构方程常用的超弹性的材料基于新虎克和Mooney-Rivlin公式表达如下: 在哪里 应变能密度函数; 是正确的第一和第二不变量Cauchy-Green形变张量; 材料常数和各自使用的值覆盖很大范围内(表吗1); 是变形梯度张量。

医学成像技术(例如,计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI))是常见的数据采集模式用于开发2 d和3 d几何模型的骨骼肌在体外和在活的有机体内条件(21,22,24- - - - - -32理想),除了一项研究使用3 d几何(34]。没有明确的定义在被动的肌肉纤维分布建模。骨骼肌的建模作为一个被动的材料已经完成在一个大范围的仿真模拟(如影响33],颌面外科[22,24,25),面部表情(26),单轴和multiple-axial载荷(28,29日,31日,32,34),动态运动(27),和衰老过程21]。使用逆方法和实验数据进行参数识别使用二维连续体模型(28,29日]。模型验证已普遍使用实验数据(执行21,22,25,26,28,29日,31日,32,34)(例如,参与皮肤的数据包络(22)或皮肤变形的结构光扫描(26])。文献数据也被用于与模型结果(30.]。注意,并没有进行模型验证在两个研究24,27]。

指出使用被动的物质可能是一个可接受的解决方案的仿真的虚拟手术仿真时间是一个重要因素。因此,实时反馈相关骨骼肌紧张和压力在外科手术期间可能实现为手术决策提供量化指标。此外,当在体外机械测试设计和执行,被动肌肉材料可以用于模型校准和参数识别。一般来说,大部分的被动本构定律是合适的设计目的和可用的数据。然而,两个研究遭受缺乏验证从而无法评估建模精度和结果精度24,27]。

2.3。骨骼肌作为活性物质

骨骼肌作为活性物质的建模需要集成的分层纤维及其激活机制。提出了不同本构规律和发达的建模活动骨骼肌(表3- - - - - -6)。横向各向同性行为通常被描述在大多数发达的本构模型。特定情况下的正交的行为已经被提出(41,42]。大多数发达的法律已经启发从Hill-type现象学模型包括骨骼肌的被动和主动组件。重要的是要强调,超弹性的行为已经包含在大多数发达模型来描述骨骼肌无源元件(48,52]。活跃的组件通常被定义为纤维活化,之间的关系,并迫使组件。注意,这些力一般组件包括被动和主动纤维部队。

表3
本构规律对于活跃的肌肉建模(I)。
表4
本构规律对于活跃的肌肉建模(II)。
表5
本构规律活动肌肉建模(III)。
表6
活跃的肌肉建模(IV)本构定律:面部肌肉的特殊情况。
2.3.1。建模策略

两种建模策略已被普遍采用。第一个重点是骨骼肌的机械方面的建模(22,26,36- - - - - -39,41- - - - - -48,53- - - - - -59),而第二种方法执行之间的耦合机电方面开发一个机电模型(21,49,50]。机械制定了只有force-length关系考虑。主动和被动肌肉状态一直在数学上制定使用指数和二次函数。电气方面的一体化机械配方需要动作电位产生的数学公式通过在细胞膜离子通道水平。一些化学成分的集成也已经完成(51]。参数的数量显著重要的活跃骨骼肌模型。还要注意模型参数的数量迅速增加,当越来越多的生物物理现象列入本构规律。参数的数量范围从5到20参数(48,51,59]。这些模型参数和材料常数的值通常以实证的方式设置。假设数据是执行,特别是在人类肌肉的情况下建模。一项研究试图衡量在活的有机体内相关数据收缩振幅降低不确定性参数空间,然后用它来更准确地再现肌肉收缩的物理行为(59]。参数识别也使用文学水平的数据执行stretch-induced分册激活(52]。注意,常见的活跃的肌肉材料的结果是肌肉压力/拉伸和菌株在肌肉纤维和整体水平。其他结果包括肌肉活动水平和force-velocity关系。膜电位也与机电模型估计。

2.3.2。肌肉和纤维结构

尽管制定和评估模型的复杂性,活跃的肌肉建模通常执行了一个大范围的肌肉,包括通用的肌肉组织(36,37,43,54上肢],[35),股直肌(38,46提肛肌),(40),肱二头肌23,39,55],腓肠肌[41,42,53),胫骨前(44,47,49- - - - - -51,股二头肌长头45),比目鱼肌(46,53),腹侧室内侧肌肉(48],腰椎肌肉[52),和面部肌肉22,26,56- - - - - -59]。骨骼肌的几何模型重建的医学成像(CT和MRI) [22,23,26,38,45,50,53- - - - - -59]。然而,一些研究也使用理想的3 d几何图形来表示骨骼肌(36,37,43,44,47- - - - - -49,51,54]。

纤维的定义体系结构是一个特定的活动肌肉建模的特征。提出了几种方法。平行纤维分布在一个方向(22,37,39,41,42,44,46,48,51,54,55,59)或在一个特定的pennation角(23,43,49一般被执行。羽状纤维取向已经提出(38]。纤维的定义根据加载方向已经完成(47]。梭形纤维分布建立了一些模型23,50]。特别是,映射技术从不同的纤维模板显示纤维定义在模型结果的重要影响45]。其他方法,如圆导演和横向取向纤维(36)切使用b样条插值或纤维(56)或curvature-driven电缆元素(58)或纤维角使用分段线性函数插值(26)已被提出。超声图像被用来测量束取向(53]。

2.3.3。加载场景

当前活跃的骨骼肌与模拟基本加载场景。等距激活已经在一些模拟研究[36,50,51,55]。缩短和延长研究[35,39,43,45,47,48,51]。剪切变形,也表现了飞机(37,41,42,46]。站的姿势,躺的位置也模拟(52]。特别是,一些研究试图模拟活动的贡献一代的动态运动的骨骼肌像膝盖弯曲38)或跖屈53)或咀嚼(57[]或orofacial运动58)或面部模仿和表达式(26,56,59]。模拟手术姿态脸上一直也表现(22]。

2.3.4。实现

活跃的骨骼肌模型的实现需要特定的编程技能。没有解决现有的商用有限元程序或允许提供积极的骨骼肌材料。这种材料可以在FEBio(肌肉骨骼研究实验室(推广),犹他大学,美国),一个开源项目(60]。使用最广泛的使用有限元分析或ANSYS等有限元程序需要用户定义的发展材料子程序(UMAT) [22,54,58,59]。复杂的模型公式可能还与其他有限元代码实现像非线性耐克39PAK[]或41)或者cmis (38]。重要的是要注意,计算时间和成本的相关信息是不可用的大多数出版模式。

2.3.5。验证

生物组织的数学建模和系统只有当定量模型的结果是有意义以系统的方式进行验证。大多数发达活跃骨骼肌模型基于文献数据进行验证(36,37,43,49,50,57]或测量数据在活的有机体内条件(22,26,39,41,42,44,47,53- - - - - -55,58,59]。然而,仍然有一些提议的模型没有验证工作(23,35,38,45,46,48,56]。数据用于验证目的覆盖大范围的类型,比如length-force关系,应力-应变关系,速度剖面、形状和变形。重要的是要注意,准确的收购在活的有机体内测量束和肌肉整体水平仍然是一个挑战。特别是,在活的有机体内人类肌肉力量和压力可能不是以一种非侵入性的方式导致肌肉模型在当前连续验证能力有限。此外,参数校准和识别活跃的肌肉材料遭受缺乏实验数据。在外面的开发模型,形状变形通常是用作验证目的(间接测量22,26,41,42,59]。这些信息通常从成像获得的数据。

不同的数学公式的活跃的肌肉材料已经开发并提出文学。模型与力学行为已经发展为不同的加载场景和校准。模拟结果与实验数据是相当一致的。这种选择主要是接受连续肌肉建模社区。因此,活动肌肉材料的力学模型和扩展可以用于进一步的调查有关人体的肌肉骨骼生物力学39,41,55]。机电形成最近提出的但重要的努力处理模型校准和参数识别之前需要完成他们在真实的应用程序中使用,特别是在临床应用(23,49]。此外,重要的是要强调,一些研究遭受缺乏系统的验证活动行为的骨骼肌模型(23,35,38,40,45,48]。因此,很难评估建模精度和结果精度根据这些研究的具体目的。

2.4。总结

被动骨骼肌建模涉及到使用经典力学材料从最简单的一个(例如,线性弹性)更复杂的(例如,超弹性的)。因此,可以优化建模工作时不需要肌肉活动的行为。特别是,使用超弹性的各向同性材料基于Mooney-Rivlin模型是一个可接受的近似非线性行为的骨骼肌同时保持更便宜的计算成本。然而,如何设置模型参数的准确和可靠的价值仍然是一个具有挑战性的问题,尤其是在更复杂的本构定律的情况下(21,34,61年]。

关于活跃骨骼肌建模、现象学和生物物理建模方法是使用最广泛的建立各自的本构规律。现象学试图描述数学建模经验骨骼肌内的生物现象的关系。这些关系与基础理论是一致的,但他们不是直接来源于理论(62年- - - - - -64年]。测量值通常需要定义这些关系。生物物理建模(65年,66年)建立数学主要的骨骼肌系统的物理特性。请注意,当前活动肌肉模型分为两类:机械模型和机电模型。力学模型描述力分布,内部组织加载和骨骼肌的形状变形。机电模型允许纤维的电生理学方面融入机械配方。重要的是要注意,机电配方是最相关的肌肉模型。这种耦合使动作电位的整合传播行为从大脑到肌肉纤维。因此,小说参数(例如,刺激电流、跨膜电位和细胞内和细胞外的电导率)已纳入力学模型公式(38,67年]。的报道范围值主要机械和机电模型参数表中所示7。

表7
报道范围的一些主要机械和机电模型参数的值。

整个肌肉和纤维的几何表示表示已使用医学成像可实现的。外肌肉形状通常是定期。网状模型生成直接从医学图像具有良好精度由于外部形状简单的骨骼肌(38,45,59]。因此,不需要特定的网格细化和改进。所有的2 d或3 d肌肉模型网状使用古典网格算法和流程。对于上、下肢肌肉,大多数发达模型模拟单个肌肉配置(38,39,51]。只有少数研究多个肌肉合并到一个系统级53,69年]。然而,多个配置通常表现为面部肌肉建模(26,56]。模型参数识别已经完成在2 d的一些研究28,29日]。主动和被动的模拟骨骼肌行为执行在一个大范围的情况下从简单的加载(例如,等距激活和收缩)复杂加载(如影响模拟、损伤机制)。发达的肌肉模型已经仔细确认使用文献数据相关肌肉length-force关系(37,51有关肌肉长度()和实验数据39),变形形状(26,41,42,59),应力应变关系(44,54),或应激反应47]。

一个特定的点要注意与一些研究小组的进步发展,提高肌肉的流变模型。这种改进的改进的一个例子加载场景和实现代码(41,42]。另一个例子是提高模型规模从一个规模扩展到多个配方与更复杂的生物物理现象(49,51,57]。肌肉协调机制的模拟更多的肌肉也是一个更新从single-muscle仿真结果69年]。事实上,在骨骼肌生理的复杂性,一个进步的建模策略是一个不错的选择来推进对连续体肌肉生物力学的理解。

3.1。当前趋势骨骼肌的连续介质模型

当前趋势骨骼肌与3 d建模的准确表示整个骨骼肌利用医学影像技术,在活的有机体内实验参数识别的被动肌肉建模和模型验证和集成的几个耦合的生物物理现象的数学公式。

与当前进展的生物医学知识和信息和通信技术(ICT),使用医学成像技术开发主题/病人具体的有限元模型的肌肉骨骼系统已成为一个自定义的方法70年- - - - - -72年]。医学成像模式的MRI和CT扫描用于准确地重建3 d整个肌肉几何图形。注意,一个有经验的操作人员与深度解剖知识是需要执行复杂的分割任务一些特定的肌肉像面部肌肉59]。事实上,基于图像的肌肉建模已成为一个定制的方法。

机械(如缩进)测试通常表现为被动骨骼肌模型中的参数识别(28,29日]。大多数发达模型基于文献数据进行验证和实验测量从应力-应变关系到详细的变形模式。注意,外部形状变形可以作为一个适当的度量模型之间的比较结果和测量。

数学描述的骨骼肌行为一直是一个密集的研究兴趣在过去的世纪。在具有里程碑意义的研究中,实验工作由希尔(1)允许许多现象学的骨骼肌和生物物理模型在不同的生理和病理生理条件下开发和测试。采取了有限的弹性理论,开发三维连续体模型骨骼肌包括内在激活机制。超弹性和粘弹性已经普遍认为和集成到当前的模型。因此,描述了发生变形时的粘性和弹性特性表现出时间的压力。Single-scale和多尺度模型被提出。注意,多尺度肌肉模型允许了解肌肉行为在宏观尺度(如形状变形)而占结构和力学性能(例如,肌节长度变化或纤维拉伸)在更小的尺度。电生理学方面的肌肉收缩机制已经加上机械部件复制骨骼肌行为更现实的方式。

3.2。当前骨骼肌的连续介质模型的局限性

活跃的肌肉材料参数识别、定义真正的纤维分布,数据的假设,和有限的仿真案例研究是当前骨骼肌建模的缺点。

尽管骨骼肌的准确和更现实的表示,活跃本构法律面临的复杂挑战参数识别(73年- - - - - -75年]。特别是,多尺度和机电材料需要大量的参数校准和确认。然而,没有现有的主动三维连续体肌肉模型完全校准和确认参数。

激活和骨骼肌的收缩行为取决于他们的形状包括循环(例如,口轮匝肌的肌肉),收敛(例如,胸大肌肌肉),unipennate(例如,伸肌肌肉手提键盘),nonfusiform平行(例如,sactorius肌肉),羽状(例如,股直肌的肌肉),parallel-fusiform(例如,肱二头肌肌肉),和multipennate(例如,三角肌)。此外,纤维形状模式直接链接失败行为的肌肉疲劳和断裂。因此,一个现实的纤维结构需要建立每个建模肌肉。然而,目前连续肌肉模型简化或没有考虑患有纤维表示被动光纤架构定义本构规律。潜在的映射方法,提出了不同的纤维结构模板(39]。然而,理想的特征模板的限制表示根据真实和详细的纤维分布。此外,3 d几何图形的脊柱肌肉几乎很难获得,即使医学成像数据可以使用。由于深位置和多节的结构特点,这些肌肉建模与束网络建模(52]。这种方法常用于刚性多体建模(14]。这是其中一个主要原因胸腰椎脊柱区域的肌肉建模开发根据上、下肢肌肉的收购的详细信息在一簇和整个肌肉水平通常是可行的。相同的评论指出的颈部肌肉(76年- - - - - -78年]。关于面部肌肉,只在整个肌肉水平的详细信息是可用的26,59]。因此,进一步的研究需要调查得到更详细的信息对这些面部肌肉在一簇级。

此外,数据的假设和数据评估使用启发式方法通常导致执行不可能的确定提出了模型的精度水平。例如,收缩振幅被认为由于不切实际的分解肌肉长度变化的弹性和收缩部分(59]。此外,激活水平经验为每个肌肉(定义26]。此外,一个大范围的本构常数和价值观已经被使用,例如,基于Mooney-Rivlin超弹性的材料配方中使用的值(26,31日,32]。特别是,活跃的肌肉本构模型的输入值的确定是完全经验和假设23,36- - - - - -38,41,46- - - - - -51,53- - - - - -55,57]。

此外,有限范围的仿真案例研究使用当前的肌肉模型已经完成。简单的加载情况下如等距激活和收缩或缩短和延长过程进行了研究。这些模拟只关注基本的了解骨骼肌在生理条件下的行为。事实上,骨骼肌模型在真实情况下的应用研究尤其是在病理生理条件仍然是一个挑战性的目标实现。

4所示。建议未来的研究

骨骼肌组成主要包括水(约80%),脂肪和胶原组织。这个复杂的活组织被建模为一个各向异性、粘弹性、不均匀,几乎不可压缩材料大变形(35,39,41,44,57]。此外,纤维和他们的激活机制的整合使骨骼肌的建模任务仍然是一个开放的研究从实验和数值方面的挑战。改善当前三维连续体模型、新建议处理的多通道数据来源于医学成像,集成更多的生物物理现象,重现性和模型。会计数据的不确定性在骨骼肌建模也是一个具有挑战性的问题。重要的是要注意,这些建议都是基于我们所知,某些方面可能已经在文献中实现。因此,这些建议应该考虑与更新文献综述通过使用更特定的关键词。

4.1。将多通道数据来源于医学成像骨骼肌建模

像的mri成像技术(古典、电影相衬、动态、弹性成像)、CT、超声,或光学microendoscopy应该调查提供形态(如纤维和肌节长度)、机械(如剪切模量、粘度)和功能(例如,收缩速度)骨骼肌的属性增强模型制定和验证(79年- - - - - -83年]。因此,一个系统的多尺度特征的骨骼肌提供一个连贯和一致的数据集应该执行。特别是,扩散张量成像开辟了新的途径跟踪和重建的纤维分布在活的有机体内和现实的方式84年,85年]。因此,强大的数据处理协议(例如,从多通道和多尺度数据模型注册或肌肉纤维分布的实时跟踪和收缩速度)也将需要应对新的多通道数据提取。所有这些多尺度和多通道数据将导致健壮的模型公式,验证和参数识别。

此外,没有现有的实验技术来测量肌肉变形,压力,部队以非侵入性的方式。因此,新的原创和创新技术和测量协议需要开发,使这些测量可能提高模型验证。骨骼肌的收缩性质的测量在活的有机体内在蛋白质水平条件下使用高速原子力显微镜(HS-AFM) [86年)需要更多的调查,阐明基本激活骨骼肌的行为。最后,在脊髓控制机制,周边和中枢神经系统需要阐明神经兴奋性特征和功能特点。

4.2。集成更多的生物物理现象

尽管大范围存在于当前模型的物理现象,骨骼肌的所有生理方面不完全集成(例如,缺乏肌肉重塑机制)。数学公式可以调查的新方面。例如,无机磷酸盐的释放机制形成过程的主导作用产生横桥状态描述的机械化学的事件应填入energy-transducing机制(6]。此外,肌肉氧化能力的集成(10)将导致一个更可靠的模拟的骨骼肌生理条件。此外,考虑肌肉重塑机制将使肌肉损伤本构定律更现实的模拟和恢复机制(87年- - - - - -89年]。之间的耦合多尺度建模和添加剂制造技术应该设计仿生纤维材料骨骼肌繁殖行为在一个更现实的方式。此外,即使的机电模型骨骼肌已经注册的动作电位产生机制,一些失踪的过程像进步运动单位(亩)招聘时间和空间应包括描述更准确地肌肉活动的行为(5]。所有这些观点可以实现使用新定义的材料子程序和参数识别应该执行新的实验数据。

4.3。模型再现性

骨骼肌的建模是一个复杂的工程任务。开发模式将迅速推进知识的再现性和骨骼肌生物力学的应用90年,91年]。然而,没有现有的开放获取肌肉模型。肌肉材料可用在FEBio FE计算代码使用,但需要大量的建模工作。此外,只考虑力学行为在这个材料。因此,一个共同的模式发展方针需要建立和开发模型应该公开可用的开放存储库的肌肉建模社区测试和重用它们。特别是商业有限元代码的使用有限元分析需要开发复杂的用户自定义材料子程序(例如,UMAT或VUMAT)。有几个研究小组开发他们的模型通过使用这种方法(35,52,54,59]。因此,未来的行动分享发达子例程可能每组迅速发展所做的努力。然后,连续肌肉建模社区可以受益于这种共享策略,实现高水平的准确性和生理意义的骨骼肌模型。

4.4。在骨骼肌建模不确定性量化

众所周知,越复杂本构规律导致越来越多的参数。由于使用数据的假设(例如,经验定义的肌肉激活水平(26)或简化的肌肉收缩振幅(59]),应考虑数据的不确定性数值肌肉建模与仿真。因此,应该执行概率肌肉建模与仿真提供更可靠的结果(92年,93年]。特别是,随机不确定性由于肌肉的内在属性的可变性和人为错误(主体,intrasubject interoperator, intraoperator)应该被建模。此外,由于认知不确定性建模假设和有限的实验需要占估计仿真结果的置信度下的一个特定的建模的目的。

5。结论

骨骼肌建模中发挥着重要作用的理解运动的人体生理功能和病理生理条件。选择一个合适的材料模型骨骼肌在特定的条件下仍然是一个具有挑战性的问题。本文提供了,第一次的整体视图当前骨骼肌的连续介质模型,这些模型的识别潜在的缺口根据真正的生理骨骼肌。这将打开新的途径改善骨骼肌在硅片医学的建模框架。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突与此相关的工作。