Muscle interaction in the context of muscle deformation modelling by a Position Based Dynamics method

Abstract

The musculoskeletal system presented by Kohout and Cervenka (2021) exhibits unnatural bending of the iliacus muscle, being passively dragged in a rag-doll manner during hip flexion. This study aimed to extend the current PBD-based simulator to support muscular interactions, where the muscles synergistically contract and relax while avoiding collisions. Avoiding the penetration of elastic muscles is a form of passive intermuscular interaction. We proposed a stochastic-based, structure-less, fast and effective algorithm of Virtual Edges that solves this unfeasible problem. Virtual Edges between the muscles take advantage of a priori anatomical and physiological reality of the muscles, as they should only come into contact in predictable areas. The muscles produce contraction or relaxation based on that activation via shortening distance constraints, representing surface approximations of their inner muscle fibres. The muscle activation estimates are sampled using the OpenSim 4.5 Static Optimization Tool under various bone orientations. During the simulation, muscle activations for the current bone orientations are interpolated from the samples and projected onto the muscles. The results were rigorously verified for visual plausibility, adherence to the physiology of muscle interaction, correspondence to the results of a similar method, and preserving muscle shapes and volumes.

Systém pohybového aparátu prezentovaný Kohoutem a Červenkou (2021) vykazuje nepřirozené ohýbání svalu iliacus, který je při flexi kyčle pasivně tažen způsobem připomínajícím hadrovou panenku. Tato studie si kladla za cíl rozšířit současný simulátor založený na PBD (Position-Based Dynamics) tak, aby podporoval svalové interakce, kdy se svaly synergicky stahují a uvolňují a zároveň se vyhýbají kolizím. Zamezení průniku elastických svalů je formou pasivní mezisvalové interakce. Navrhli jsme stochastický, bezstrukturní, rychlý a efektivní algoritmus Virtuálních Hran, který tento neřešitelný problém eliminuje. Virtuální Hrany mezi svaly využívají předem známou anatomickou a fyziologickou realitu svalů, protože by se měly dotýkat pouze v předvídatelných oblastech. Svaly produkují kontrakci nebo relaxaci na základě aktivace pomocí zkracujících distančních omezení, což reprezentuje povrchové aproximace jejich vnitřních svalových vláken. Odhady svalové aktivace jsou vzorkovány pomocí nástroje OpenSim 4.5 Static Optimization Tool za různých orientací kostí. Během simulace jsou svalové aktivace pro aktuální orientace kostí interpolovány z těchto vzorků a promítány na svaly. Výsledky byly důkladně ověřeny z hlediska vizuální věrohodnosti, souladu s fyziologií svalové interakce, shody s výsledky podobné metody a zachování tvarů a objemů svalů.