Biomechanický svalově-kosterní model

Abstract

Předkládaná práce je zaměřena na svalově-kosterní modelování, především pak na výpočet svalových sil a ramen momentů při libovolném pohybu s využitím nové metody určení průběhů svalů. Jejím hlavním přínosem je vývoj unikátní metody založené na svalovém obepínání anuloidů, která výrazné snižuje nedostatky již existujících metod pro určení svalových trajektorií. Metoda je vyvinuta pro výpočet korektního tvaru svalu při jakékoliv konfiguraci kloubů. Je založena na obecné známé metodě svalového obepínání série překážek tvořených tuhými geometrickými tvary a nahrazujících okolní tkáně, obecné známá jako metoda obstacle-set. Z důvodu vylepšení původní metody byly překážky tvaru koule či válce nahrazeny anuloidy. Nové vzniklá metoda dále umožňuje automatický výpočet umístění svalových úponů; pozic, natočení a poloměrů jednotlivých anuloidů; nárůst aktuálního fyziologického průřezu svalu během kontrakce či změny tvaru svalu s ohledem na sousedící svalové skupiny. Veškerá geometrie metody je založena na MRI a počtu uvažovaných svalových vláken.

Dílčím cílem studie je vytvořit jednoduchý model ramene v programu MATLAB, který obsahuje pouze dvojhlavý sval pažní a je založen na nové vyvinuté metodě obepínání anuloidu. Touto cestou je prezentována implementace, použití, výhody a nevýhody této metody. Kosti modelu jsou nahrazeny tuhými tělesy spojenými reálnými klouby; skutečné chování svalů je simulováno modelem Hillova typu. Pro potřeby této práce jsou pohyby lopatky a klíční kosti zanedbány. Svalový komplex je prezentován elastickými svalovými vlákny zanedbatelného tření generující stejnou sílu po celé své délce a obepínající sousední struktury nahrazené anuloidy. Pro validaci modelu a metody obepínání anuloidu je simulován pohyb pažní kosti - abdukce a přední flexe do úhlu 90°. Trajektorie svalových vláken, síly ve svalech, aktuální délka a momentová ramena svalů jsou poté porovnána s výsledky obdobných modelů prezentovaných v literatuře, s elektromyografickým měřením a se dvěma modely ramene sestavených v programu AnyBody Modeling System.

Výsledky prokazují úspěšnou validaci hlavních akčních členů abdukce a přední flexe ramene. Nová metoda svalového obepínání anuloidů je vhodnou metodou pro simulaci všech kloubů lidského těla - především pro komplikované klouby jako je např. ramenní komplex, či pro všechny typy svalů - silný, slabý, plochý, dlouhý, krátký, aj. Prezentovaná studie také stručné představuje anatomii a fyziologii ramenního komplexu, nabízí rešerši existujících ramenních modelů a metod pro výpočet svalové trajektorie a do větších detailů popisuje dynamiku vázaných mechanických systémů v prostoru. Závěrem lze říci, že metoda svalového obepínání anuloidů je užitečným nástrojem při svalové-kosterním modelování.