审查的建模技术在活的有机体内肌肉力量估计在下肢力量训练

文摘

背景。肌肉骨骼加载条件的知识在力量训练是至关重要的性能监控,伤害预防、康复和训练设计。然而,测量肌肉力量在运动性能的主要决定因素训练疗效和安全性仍具有挑战性。方法。在本文中,我们审查现有的计算技术来确定下肢肌肉力量在力量练习在活的有机体内并讨论他们的潜力吸收到运动训练和康复。结果。肌肉力量在运动性能几乎完全被分析使用所谓的动力学模拟,逆动力学技术,或替代方法。肌肉骨骼模型的基础上提出动力学分析导致相当大的新见解肌肉协调、力量,和权力在动态弹道运动活动,导致,例如,改进技术蹲跳的最优性能,而静态逆动力学优化和EMG-driven造型有助于提供一个对低速运动的理解。结论。现在回顾介绍了不同的计算技术,并概述了其优缺点的通知由非专家使用。有足够的验证和广泛应用,肌肉力计算在力量练习在活的有机体内将提供基于生物力学上的证据,临床医生和治疗师评估和提高培训指南。

1。介绍

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。

2。方法

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。

3所示。结果

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)。

3.1。解剖和生理模型参数

肌肉骨骼模型与不同数量的肌肉和关节,和不同的材料为主动肌肉和被动软组织属性特征,介绍了根据不同的研究目标,可用数据,在计算模型和专业知识。肌肉骨骼模型与数量减少的肌肉和/或较低的自由度关节已经采用了简化分析。特别是,膝关节通常被表示为一个平面铰链关节,忽视除了弯曲伸缩平移和旋转自由度(7,12,13,17,20.,21,24,26,28,29日]。在这些模型中,有个别的肌肉被分组来减少未知的肌肉骨骼模型的自由度,腘绳肌或股四头肌等(17,20.,21,24,25),或者只关键肌肉的球员被认为是(7,27]。例外是不同作者采用的解剖模型(13,28,29日),考虑到43每腿肌肉肌腱单位。这些作者另外细分臀肌等大型或复杂的肌肉为多个肌肉单位更准确地代表他们的肌肉比单一路径和功能肌肉单位(13]。的解剖和生理特性这三个模型是基于实验测量的尸体标本文学试图代表了建模与属性(29日]。两个模型的一般实现商用或开源软件包(LifeModeler OpenSim) [13,28]。

肌肉肌腱结构的主动和被动材料属性通常被描述了Hill-type [35有源元件,包括所谓的收缩元素(CE)(由肌动蛋白和肌凝蛋白的细胞横桥力代)来捕获force-length-velocity肌肉组织的依赖。这个活跃的元素是另外加上两个被动元素(由非线性弹簧单元);弹性(SE)元素占肌腱弹性和parallel-elastic元素(PE)占被动僵硬的肌肉结缔组织(图2)[12,14- - - - - -20.,29日]。force-velocity依赖一个特定的肌肉从而可以直接来自希尔的方程(35),可以产生更大的力量CE在缓慢的速度收缩,反之亦然。在偏心运动,肌肉能够产生更高的力量,因为被动结构另外支持CE力生产。肌肉产生的力,可以进一步依靠肌肉的实际长度,由于肌动蛋白肌球蛋白在肌节横桥所产生的力水平取决于他们重叠的状态。此外被动结构(PE和SE)肌肉拉伸时产生力量,即使CE没有激活。Hill-type肌肉生物力学模型已经广泛被接受的社区和已被实现成肌肉骨骼模型软件包,如OpenSim [10,36]。

材料参数(预先确定的常量值)Hill-type肌肉模型通常由实验测量尸体标本在文献中报道,包括最大等长力量,肌肉纤维pennation角,肌腱松弛长度、肌腱和肌肉被动刚度,和生理横截面积(PCSA)。简化Hill-type模型已经由忽略force-velocity和/或force-length关系以及被动材料特性,特别是分析静态练习使用逆动力学技术(13,21- - - - - -24,28]。调整材料参数的单个对象通常是通过简单的扩展基于节段长度,计算联合中心,EMG信号(归一化最大自愿等长收缩(MVIC)),或受试者体重4,5,12,18- - - - - -24]。或者,可以使用静态或功能优化的方法(26]。其他技术来确定个体肌肉参数包括超声波测量,使肌肉体积的评价,因此PCSA [3),但没有研究已经发现,超声波测量与肌肉骨骼模型相结合来分析在力量训练肌肉的力量。

3.2。提出了动力学仿真

一般来说,使用向前问题模拟肌肉骨骼模型动力学方法是生理上找到一个可行的关于肌肉活动的控制,例如,通过最小化代价函数积分。这通常包括大量的边界条件和约束来定义。一组与不同的应用领域,比如运动,加载条件、生理、和时间依赖性的一种优化算法。此外,提出动态模拟通常控制问题。这里,开环的解决方案通常是高度不稳定,难以整合而高度非线性肌肉骨骼系统的闭环解决方案仍然还是一个尚未解决的问题。重要尝试模拟运动的肌肉骨骼系统进行了基于动力学,用肌肉激活水平作为输入节段位置和方向的时程作为输出,特别是研究动态弹道运动练习蹲跳等。在这里,不同的研究介绍了正向动力学模型肌肉骨骼系统的更好的理解,例如,如何控制(肌间的12,14,18],bilateral-asymmetry [15,29日),或肌肉疲劳16)影响最大跳高度。骨骼系统的动态运动方程之后所描述的一组微分方程,由肌肉肌腱驱动执行机构控制的神经信号。肌肉肌腱驱动器通常代表使用Hill-type肌肉肌腱模式,连接到一个数值模型来捕获传入神经信号之间的时间流逝和肌肉活动的开始。正向动力学模拟依赖于优化算法来找到可行集的肌肉活动模式导致所需的运动动力学,与最大跳高度常见的性能标准。对于其他运动如蹲或弓步,新标准将需要定义。解决优化问题更有可能发现明确的运动模式与简化的肌肉骨骼模型,数量有限的肌肉驱动器和约束条件,如减少关节的自由度(12]。

第一个提出动力学模型平面蹲跳,打手心推出了和同事(12),包括所有下肢骨骼和八大肌肉(图3)。定义的约束最优控制问题是运动的动力学方程,终端计算起飞点,和肌肉激活水平被设置为0或1,与最大跳跃高度的性能标准。更受限制的形式介绍了动态优化的车所以和同事(20.),肌肉只被允许从最初的激活值转换一次,然后就必须保持最大限度的激活,直到飞机起飞。问题是因此减少肌肉的找到一个最优组合开关*导致最大跳高度。由此产生的肌肉活动模式与从肌电图与实验测量数据,和制定经常被应用于生物力学分析的蹲跳14- - - - - -18]。

为了获得信心向前动力学模拟,模拟结果往往与实验数据相比,从光学运动捕捉、力平台和肌电图(15- - - - - -17,19,20.),确认提出动力学模型来准确地再现的能力最大高度蹲跳的主要特性。基于目前的文献检索,在协议与先前的评论在骨科肌肉力计算和临床步态分析(36),提出动态方法尚未应用于肌肉加强练习蹲跳。而蹲跳的性能指标通常是最大的跳跃高度,选择性能标准对其他活动被认为是更有挑战性的36]。此外,提出动态模型需要多个集成步骤达到最优关节运动学,导致计算复杂度在用户友好的软件包,从而限制了他们实现非专家的广泛使用。然而,使用正向动力学提供教练或治疗师的可能性来模拟一个最佳的培训或康复计划为一个特定的运动员或者患者不需要复杂的实验测量,如肌电图,光学运动捕捉、或地面部队的反应。

3.3。准静态逆动力学优化

与动力学仿真,逆动力学公式是相对快速和计算便宜。逆动力学分析是指节段的计算力和时刻基于光学运动捕捉的数据和力传感器等平台,已成为常规临床步态分析工具(36)和力量练习(37- - - - - -40]。重要的是要注意,关节接触力和肌肉力量不能直接从逆动力学计算。相反,肌肉力量的推导需要分配净节间的部队从逆动力学在协同和拮抗的肌肉,从而导致不确定的性质的问题,需要使用数值优化技术解决。关节接触力可以另外计算净之和节间的力量和协同和拮抗肌肉力量,十字接头(图1)。

准静态逆动力学优化技术已经普遍应用于低速运动,如腿媒体或刺(7,13,21,22,24,27]。对于低速运动,静态平衡条件下适用的假设每个段的角加速度是微不足道的。在早期的研究中,雷利和马顿斯27]介绍了single-muscle模型量化股四头肌肌肉力量基于逆动力学在弯曲膝盖。模型认为只有工作作为单个肌肉组织活跃在股四头肌锻炼。因此,逆动力学的净膝关节力矩等于造成肌肉的时刻,和肌肉力量可以确定几何推导的武器对膝关节中心。类似的建模方法是采用亨利和同事(7),分析偏心和同心部队在脚踝跟腱足底,背屈。这里的优势在于,single-muscle模型不依赖于计算昂贵的优化技术;然而,的潜在贡献协同和拮抗的肌肉关节稳定和运动控制被忽视和肌肉之间的生理差异有效生成能力不能占。

更复杂的基于准静态的肌肉骨骼模型的逆动力学已经发展的贡献占协同和拮抗肌群来分析开放和封闭链膝盖扩展(21- - - - - -23和臀部弯曲伸缩13]。这里,基于最小二乘法的优化算法一般都采用寻找每个肌肉力的贡献权重因素最小化节间力矩之间的差异从逆动力学和生物力学的合成肌肉力矩模型。在早期的尝试中,肌肉力量被认为是生理横截面积成正比(PCSA),最大随意收缩力,并测量了EMG激活水平,没有把force-length [24),肌肉纤维招聘(7],force-velocity [21,23)的关系。改善的结果,郑和同事(24]扩展先前的模型通过检查肌肉force-length属性的作用,表明force-length依赖优化在蹲和腿部新闻训练对肌肉力量大小有很大的影响,这被证明是一个重要的因素在确定十字韧带的紧张局势。

一种稍微不同的方法基于准静态逆动力学优化采用路易斯和同事(13]分析增效剂的位置和改变肌肉力量的影响在臀部加强臀部力量练习。肌肉肌腱路径和最大等长力量43肌肉单位都从一个通用的肌肉骨骼模型采用商用软件SIMM (MusculoGraphics, Inc ., Santa Rosa、钙、美国)。肌肉肌腱路径以外的材料特性和最大等长力量被忽略,包括force-length关系和被动应对压力。采用一种优化算法,旨在减少肌肉压力和最大化的目标肌肉耐力。这种方法被广泛接受期间下肢步态的生物力学分析(36]。然而,基于最小化肌肉压力的静态优化技术已经被证明低估对抗性肌肉活动以及肌肉力量贡献低震级(41]。此外,受试者在疲劳或疼痛不太可能激活肌肉根据最小努力原则,而是为了避免机械应力对疲劳或痛苦的组织。

3.4。替代方法

介绍了一组替代方法来计算基于混合inverse-forward动力学方法(肌肉力量28)或使用肌电图数据驱动肌肉骨骼模型对给定关节运动学(EMG-driven造型)4,25,26]。特别是,诺尔特和同事(28)概述了组合inverse-forward动力学仿真量化椎间加载在腹部紧缩运动基于使用LifeModeler全身肌肉骨骼模型软件。模型的输出取决于肌肉肌腱的初始估计长度从逆动力学推导提供参考价值的肌肉激活水平,因此肌肉的力量。然而,该模型没有考虑到生理上现实的肌肉组织的材料特性。相反,肌肉力量得到使用闭环算法包含proportional-integral-differential控制器达到目标病程长短曲线。尽管模型的有效性产生的问题,但研究仍是独一无二的,它包含了计算机辅助设计(CAD)的模型训练机。通过使用肌肉骨骼模型大小不同的CAD模型,作者可以分析运动机的有效性和安全性,以适应非常小或者大个人基于预测的肌肉力量和椎间关节负荷。

其他替代方法来确定肌肉力量在力量训练包括所谓EMG-driven肌肉骨骼模型,引入了劳埃德和Besier26和Escamilla和同事4,5]。EMG-driven模型背后的基本概念,包括收集肌电图数据,过滤,纠正,并输入一个校准肌肉骨骼模型来预测肌肉力量。然而,大量的标定试验,包括光学运动捕捉和地面反作用力的测量,需要定义与模型参数之前,准确的预测个别科目的肌肉力量在多个不同的任务是可能的。校准试验允许模型参数的调整,减少关节运动学和/或关节力矩之间的差异从EMG-driven逆动力学分析和相应的结果模型。与准静态逆动力学优化技术,EMG-driven模型占肌肉的动力生成属性,成功标定之后,采取了在动态预测肌肉力量练习,如回避或动态突进活动(4,5]。挑战依然存在电极的位置和加工的EMG信号以及参考或一般的肌肉骨骼模型校准的主题——和特定于任务的条件3]。尽管存在这些挑战,高密度肌电图测量已被证明在肌肉力的预测减少错误,但这些分析通常导致仪器复杂,可能无法实现在体育实践(3]。

4所示。讨论

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Besier26]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。

伦理批准

所有作者遵守苏黎世ETH的伦理委员会,瑞士伦理规则的信息披露要求。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

所有作者导致概念和设计,论文准备,阅读,和批准最终的论文。

引用

1. w·Blajer a . Czaplicki k Dziewiecki, z Mazur”选择的建模和计算问题对肌肉力量的影响的估计,”多体系统动力学,24卷,不。4、473 - 492年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. r·穆勒健身中心:培训期间损伤和不适伤害预防、BFU、伯尔尼的瑞士联邦理工学院,伯尔尼,瑞士,1999。
3. l . l . Menegaldo和l·f·奥利维拉的影响建模假设和实验方法的准确性使用EMG-driven模型估计肌肉力量,”多体系统动力学,28卷,不。1 - 2,21-36,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. r . f . Escamilla:郑,t·d·麦克劳德et al .,“髌骨关节力和压力之间的短期和来得及向前突进,”骨科杂志&运动物理治疗,38卷,不。11日,第690 - 681页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. r . f . Escamilla:郑,t·麦克劳德et al .,“髌股的压缩力和压力在向前和道具,没有一个跨步,”医学和科学在体育及运动,40卷,不。5,S79页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. n·哈里斯,j·克罗宁和j·基奥,“收缩力特异性及其功能性能的关系,“体育科学杂志》,25卷,不。2、201 - 212年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m·亨利j . Aaboe h . Bliddal, h .清除“古怪的生物力学特点跟腱锻炼,”生物力学杂志,42卷,不。16,2702 - 2707年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. d·m·弗罗斯特,j·克罗宁和r .牛顿,“电阻的生物力学评价:基本概念进行训练和运动性能,”运动医学,40卷,不。4、303 - 326年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r·t·凯尔·g·贝尔,a . Quinney“肌肉骨骼健康,健康状况和生活质量,”运动医学没有,卷。31日。12日,第873 - 863页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. s . l . Delp f·c·安德森,a . s . Arnold et al .,“OpenSim:开源软件创建和分析动态模拟的运动,”IEEE生物医学工程,54卷,不。11日,第1950 - 1940页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. c . j . De Luca“表面的使用肌电图在生物力学,”应用生物力学杂志,13卷,不。2、135 - 163年,1997页。视图:谷歌学术搜索
12. 扎亚茨f·e·m·g·打手心,e . Sim和w·s·莱文,“人类最大高度跳的最优控制模型,”生物力学杂志,23卷,不。12日,第1198 - 1185页,1990年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. c·l·刘易斯,美国a Sahrmann, d . w·莫兰”的位置和改变增效剂在臀部肌肉力量贡献力量时臀部加强练习,”临床生物力学,24卷,不。1,35-42,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·f·Bobbert“依赖人蹲跳性能系列小腿三头肌的弹性柔量:一项模拟研究,“实验生物学杂志》上,卷204,不。3、533 - 542年,2001页。视图:谷歌学术搜索
15. m·f·Bobbert w·w·格拉夫,j . n . Jonk和l . j . r . Casius”解释的双边贸易赤字在人类垂直蹲跳,”应用生理学杂志,卷100,不。2、493 - 499年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m . f . Bobbert m·m·范德Krogt h·范·多尔恩和德·鲁伊特c . j .,“plantarflexors疲劳的影响,对控制和性能在垂直跳,”医学和科学在体育及运动,43卷,不。4、673 - 684年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. m . f . Bobbert和a·j·范所以肌肉加强对纵跳高度的影响:一项模拟研究,“医学和科学在运动和锻炼,26卷,不。8,1012 - 1020年,1994页。视图:谷歌学术搜索
18. m . f . Bobbert和j.p. van Zandwijk敏感性的垂直跳性能变化肌肉刺激发病时间:模拟研究中,“生物控制论,卷81,不。2、101 - 108年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m·g .打手心,f·e·扎亚茨“最佳肌肉协调策略来跳,”生物力学杂志,24卷,不。1、1 - 10,1991页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a·j·范·所以,a·l·施瓦布m . f . Bobbert和g . j . van Ingen Schenau”的影响biarticularity腓肠肌肌肉的垂直跳跃的成就,”生物力学杂志,26卷,不。1,1 - 8,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. r·f·Escamilla g s Fleisig:郑,s . w . Barrentine k . e . Wilk和j·r·安德鲁斯”生物力学的膝盖在封闭运动链和开放动力链运动,”医学和科学在运动和锻炼,30卷,不。4、556 - 569年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. r·f·Escamilla g s Fleisig:郑et al .,“技术变化对膝关节生物力学的影响在蹲和腿出版社,“医学和科学在运动和锻炼,33卷,不。9日,第1566 - 1552页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. k . e . Wilk r·f·Escamilla g . s . Fleisig s . w . Barrentine j·r·安德鲁斯和m·l·博伊德”比较胫股的联合部队和肌活动在开放和封闭运动链运动,”美国运动医学杂志》上,24卷,不。4、518 - 527年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. n .郑g . s . Fleisig r·f·Escamilla和s . w . Barrentine”分析模型的内力在运动估计的膝盖,“生物力学杂志没有,卷。31日。10日,963 - 967年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. t·f·Besier g . e .黄金,s . l . Delp m . Fredericson和g·s·博普雷”股的影响内部和外部旋转在髌骨关节内软骨强调,“骨科研究期刊》的研究,26卷,不。12日,第1635 - 1627页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. d·g·劳埃德和t . f . Besier EMG-driven肌肉骨骼模型来估计体内肌肉力量和膝关节的时刻,”生物力学杂志,36卷,不。6,765 - 776年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. d·t·赖利和m . Martens”实验分析的股四头肌肌肉力量和patello-femoral关节反应部队为各种活动,“Acta Orthopaedica Scandinavica,43卷,不。2、126 - 137年,1972页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. k .诺尔特·e·克鲁格p s、h·诺尔特,“三维腹部紧缩的肌肉骨骼模型阻力训练,”体育科学杂志》没有,卷。31日。3、264 - 275年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. 吉冈,a长野特区干草,和s Fukashiro“双边肌肉力量的不对称的影响一个蹲跳的高度:计算机模拟研究中,“体育科学杂志》卷,29号8,867 - 877年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. d . j . Pearsall和p·a·科斯蒂根,”段参数误差对步态分析结果的影响,“步态和姿势,9卷,不。3、173 - 183年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. g . Rao, d . Amarantini和e·伯顿”影响的额外负载的时刻受体激动剂和拮抗剂在膝关节肌肉群闭链运动,”肌电图、运动机能学杂志》上,19卷,不。3、459 - 466年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. d·g·e·罗伯逊,人类。j·威尔逊,t·a·皮埃尔“下肢肌肉功能在全蹲,”应用生物力学杂志,24卷,不。4、333 - 339年,2008页。视图:谷歌学术搜索
33. g·j·萨勒姆和c . m .权力,“髌骨关节动力学在蹲在学院的女运动员,”临床生物力学,16卷,不。5,424 - 430年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. d·a·华莱士·g·j·萨勒姆,r·萨利纳斯和c . m .权力,“髌骨关节动力学而蹲,没有外部负载,”骨科杂志&运动物理治疗,32卷,不。4、141 - 148年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. 答:诉希尔,”缩短和动态热常数的肌肉,“英国伦敦皇家学会学报》上。系列b生物科学,卷126,不。843年,第195 - 136页,1938年。视图:谷歌学术搜索
36. a . Erdemir美国麦克莱恩,w·赫尔佐格和a·j·范Bogert,“基于模型的估计在运动中,肌肉力”临床生物力学,22卷,不。2、131 - 154年,2007页。视图:谷歌学术搜索
37. s . Lorenzetti t . GuLay m .弯腰et al .,“比较的角度和相应时刻在限制和无限制的下蹲,膝盖和臀部”肌力与体能训练研究》杂志上,26卷,不。10日,2829 - 2836年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
38. f . Schellenberg j . Lindorfer r .列表,w·r·泰勒和s . Lorenzetti”动力学和运动学推和goodmornings之间的差异,”BMC体育科学、医学和康复,5卷,不。1,p。27日,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. r .列表,t . Gulay m .弯腰,s . Lorenzetti”期间的躯干和下肢运动学限制和无限制的蹲坐,”肌力与体能训练研究》杂志上,27卷,不。6,1529 - 1538年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. r . p . Schutz列表,r . Zemp f . Schellenberg w·r·泰勒和s . Lorenzetti“关节角的脚踝,膝盖和臀部在分裂和加载条件下蹲,“应用生物力学杂志,30卷,不。3、373 - 380年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
41. 答:停止,r·威尔科克斯和z,“计算自然时尚的造型:回顾有限元模拟和多体,“计算机在生物力学和生物医学工程的方法,15卷,不。9日,第979 - 963页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
42. m·o·海勒·g·伯格曼,j。Kassi, l·克拉斯、n·p·哈斯和g . n .杜达”的决心在髋关节肌肉加载用于临床前测试,”生物力学杂志,38卷,不。5,1155 - 1163年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
43. g·伯格曼、f . Graichen和a . Rohlmann”髋关节接触力在跌跌撞撞,”Langenbeck档案的手术,卷389,不。1,53至59页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
44. a . Trepczynski Kutzner,大肠Kornaropoulos et al .,“髌骨关节接触力的活动中膝盖弯曲,高”骨科研究期刊》的研究,30卷,不。3、408 - 415年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
45. b·j·弗雷格t·f·Besier d·g·劳埃德et al .,“大挑战竞争预测体内膝盖负担,”骨科研究期刊》的研究,30卷,不。4、503 - 513年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
46. t·e·休伊特g·d·迈尔k·r·福特et al。”生物力学神经肌肉控制的措施和外翻加载膝盖十字韧带受伤的风险预测的女运动员:一个前瞻性研究,“美国运动医学杂志》上,33卷,不。4、492 - 501年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
47. w·赫尔佐格和l . j .读“的行动方针和时刻武器的主要force-carrying结构穿越人工膝关节,”解剖学杂志第2部分,卷。182年,第230 - 213页,1993年。视图:谷歌学术搜索
48. c·w·痕迹,j·l . van Leeuwen c . g . m . Meskers a . f . Titulaer和a . Huson”估计瞬时时刻的小腿肌肉,”生物力学杂志,23卷,不。12日,第1259 - 1247页,1990年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
49. b . Gilles和n . Magnenat-Thalmann”肌肉骨骼MRI分割使用多分辨率单纯形网格与内侧表示,“医学图像分析,14卷,不。3、291 - 302年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
50. k .滑雪。k . Mithraratne n . s .斯托特和中情局安德森,“Anatomically-based肌肉骨骼建模:肌肉变形的预测和验证在走,”计算机视觉,25卷,不。9日,第851 - 843页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2015 Florian Schellenberg et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。