Vahid Khorsand Vakilzadeh、Mohsen Asghari、Hassan Salarieh、Naira H Campbell-Kyureghyan、Mohamad Parnianpour 和 Kinda Khalaf
背景:脊柱损伤和相关诉讼继续对全球的人力和经济构成重大挑战。脊柱的生物力学预测模拟模型为法医损伤生物力学定量分析提供了省时省力的工具。
方法:开发了一个包含 18 块肌肉的 3-D 计算模型来模拟人体躯干的运动。使用三个基于生理的性能指标来模拟与躯干运动相关的最佳轨迹。使用逆动力学计算腰骶关节周围产生的力矩。通过执行基于静态稳定性的优化来评估肌肉对力矩的贡献,其中模拟了从直立位置到 60 度屈曲的躯干运动。通过在优化程序中添加稳定性约束来解决内在机制对脊柱稳定性的贡献,同时允许增加拮抗肌的活动。
结果:在最终的计算模型中,主动肌和拮抗肌的共同收缩增加了 L5/S1 关节周围的关节僵硬性。肌梭提供反射反馈,以在执行最佳轨迹期间控制躯干位置。增加反射机制的时间延迟会降低脊柱稳定性。
结论:这项工作的主要贡献有两个方面:1. 新颖地使用三个生理上合理的性能指标来模拟有和没有稳定性约束的脊柱运动,2. 在模型中加入了几个完善的前馈和反馈控制。躯干性能指标导致不同的运动模式和肌肉募集模式。该模型预测,与实验数据一致,施加躯干稳定性会通过增加肌肉募集导致更高的脊柱僵硬性。这项研究提供了一个用于建模和预测脊柱运动的计算框架,可用于定量法医脊柱损伤生物力学分析。