基于半肌小节半唯象模型的骨骼肌运动生物力学建模仿真优化——以股二头肌长头为例

目的基于半肌小节的半唯象模型(SPM)建立人体股二头肌长头模型,利用Open Sim软件,对比SPM与传统Hill模型在肌肉动力学参数拟合上的准确性,以验证SPM相比于传统Hill模型在动态模拟中的优势。方法选取人体股二头肌长头作为建模对象,使用CT影像学扫描获取肌肉形态学数据,利用VICON运动捕捉系统和Delsys表面肌电采集分析系统分别获得目标肌肉在屈膝时向心收缩的运动学数据和表面肌电,并使用Open Sim软件进行动态模拟,应用一维统计参数映射(SPM1D),在显著性水平0.001下,以实际测量值作为参考标准,对比分析SPM和传统Hill模型在拟合肌肉关节力矩和机械功输出上的表现。结果基于SPM和传统Hill模型所拟合的肌肉关节力矩与实际值之间的拟合优度分别达到了0.966和0.974(P<0.001),但SPM拟合结果的误差显著低于传统Hill模型(10.70%和18.80%,P<0.001)。在机械功输出方面,SPM和传统Hill模型的拟合结果类似,但SPM在预测肌肉瞬时功率方面,表现出更快的响应速度,该结果说明在动态条件下,SPM能更准确地模拟肌肉的实际活动。结论基于SPM的骨骼肌动态建模和仿真能够解释实验现象,并符合生物物理学原理。同时,由于SPM的动力学方程不高于二阶,且不含任何复杂的偏微分方程或积分,因此在动态条件下,可能是一种更高效和准确的骨骼肌生物力学问题解决方法。