丘型筋肉モデルに基づくマッピングされた応力フィールド境界条件の開発

筋肉と腱で生成される力は、骨格の動きを作動させます。連続体モデルにおけるこれらの筋肉張力の正確な推定と適用は、些細な問題ではありません。多くの場合、筋肉張りのアタッチメントは点力として近似されます。ただし、ローカルメカニクスの正確な推定には、筋肉張力のより現実的な応用が必要です。このホワイトペーパーでは、マッピングされた丘型筋肉モデルの開発について、股関節の有限体積モデルの境界条件として説明します。ここでは、計算された筋肉繊維が付着部位間で継続的にマッピングされます。適用された筋肉力は、アクティブヒルタイプモデルを使用して計算されます。このモデルでは、入力筋電図シグナルが歩行分析から決定されます。現実的な筋肉の付着部位は、断層撮影画像から直接決定されます。有限体積構造のオープンフォーム（ESI-OPENCFD、Bracknell、UK）ソルバーに実装されたマッピングされた筋肉境界条件を使用して、患者固有の天然股関節を使用して歩行の中間フェーズをシミュレートし、比較を実行します。標準のポイント負荷筋肉アプローチ。生理学的関節の負荷は、単純な筋肉点負荷条件によって正確に表されないと結論付けられています。ただし、接触の圧力が唯一の関心事である場合、筋肉の力に関する仮定を単純化することが有効になる場合があります。

Forces generated in the muscles and tendons actuate the movement of the skeleton. Accurate estimation and application of these musculotendon forces in a continuum model is not a trivial matter. Frequently, musculotendon attachments are approximated as point forces; however, accurate estimation of local mechanics requires a more realistic application of musculotendon forces. This paper describes the development of mapped Hill-type muscle models as boundary conditions for a finite volume model of the hip joint, where the calculated muscle fibres map continuously between attachment sites. The applied muscle forces are calculated using active Hill-type models, where input electromyography signals are determined from gait analysis. Realistic muscle attachment sites are determined directly from tomography images. The mapped muscle boundary conditions, implemented in a finite volume structural OpenFOAM (ESI-OpenCFD, Bracknell, UK) solver, are employed to simulate the mid-stance phase of gait using a patient-specific natural hip joint, and a comparison is performed with the standard point load muscle approach. It is concluded that physiological joint loading is not accurately represented by simplistic muscle point loading conditions; however, when contact pressures are of sole interest, simplifying assumptions with regard to muscular forces may be valid.