Набор анатомических баз данных для развития биомеханических моделей нижней конечности человека
Р.Райкова
, С.Ангелова
, С.Делчев
, И.Иванов
, П.Райков
Abstract: Биомеханические модели нижних конечностей человека используются в различных областях, таких как дизайн автомобиля, реабилитация, протезно-ортопедические устройства и других. Многие разработчики моделей испытывают трудности с использованием анатомических данных в механических концепциях. Цель настоящей статьи - систематизировать конкретные анатомические и биомеханические данные для мышц нижней конечности и их активность в трех основных суставах - бедренном, коленном и голеностопном - и проиллюстрировать возможность разработки определенной модели для конкретных суставов и двигательных задач. Материалы и методы: С использованием данных из различных анатомических источников – учебников, атласов, интернета и др. – были составлены две таблицы. Первая содержит все 31 вид мышц, пересекающих три сустава, с использованием аббревиатур и активности этих мышц. Во второй таблице все мышцы перечислены в порядке, соответствующем их важности в движениях суставов. Для каждой мышцы создают анатомическую модель, демонстрирующую ее анатомическое положение и точки прикрепления. Результаты: Разработаны простые биомеханические модели в срединной и фронтальной областях с наиболее важными мышцами. Обсуждение: Анатомические модели показывают положение всех мышц на нижней конечности и хорошо подходят для создания биомеханических моделей всей конечности или конкретных суставов. Две представленные таблицы могут помочь выбрать наиболее важные и подходящие мышцы без учета мелких и не очень важных мышц. Выводы: Разработанные таблицы и модели сэкономят много времени неспециалистам, чтобы сориентироваться в анатомических схемах, создать простые или сложные биомеханические модели, рассчитать мышечные силы и реакции суставов.
Keywords: биомеханика; суставы; нижняя конечность; модели; мышцы
| References: (click to open/close) | [1] Ascenzi, A., 1993. Biomechanics and Galileo Galilei. Journal of Biomechanics 26, 990-100.
[2] Piolanti, N., Polloni, S., Bonicoli, E, Giuntoli, M., Scaglione, M., Indelli, P. F., Borelli, G.A., 2018. The precursor of medial pivot concept in knee biomechanics. Joints 6, 167–172.
[3] Raikova, R., 1992. A general approach for modelling and mathematical investigation of the human upper limb. Journal of Biomechanics 25, 857-867.
[4] DiStefano, L.J., Padua, D.A. Brown, C.N., Guskiewicz, K.M., 2008. Lower extremity kinematics and ground reaction forces after prophylactic lace-up ankle bracing. Journal of Athletic Training 43, 234-41.
[5] Raikova, R.T., Prilutsky, B.I., 2001. Sensitivity of predicted muscle forces to parameters of the optimization-based human leg model revealed by analytical and numerical analyses. Journal of Biomechanics 34, 1243-1255.
[6] Bicera, M., Phillips, A.T.M., Modenese, L., 2022. Altering the strength of the muscles crossing the lower limb joints only affects knee joint reaction forces. Gait & Posture 95, 210-216.
[7] Douglas, J., Ross, A., Martin, J.C., 2021. Maximal muscular power: lessons from sprint cycling. Sports Medicine – Open 7, 48.
[8] Raikova, R., 2000. Prediction of individual muscle forces using Lagrange multipliers method - a model of the upper human limb in the sagittal plane: I. Theoretical considerations. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 3, 95-107.
[9] Prilutsky, B.I., Zatsiorsky, V.M., 2002. Optimization-based models of muscle coordination. Exercise and Sport Sciences Reviews 30, 32.
[10] Rebelo, E.A., Grigoriadis, G., Carpanen, D., Bull, A.M.J., Masouros, S.D., 2021. An experimentally validated finite element model of the lower limb to investigate the efficacy of blast mitigation systems. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 28.
[11] Mokri, C., Bamdad, M., Abolghasemi, V., 2022. Muscle force estimation from lower limb EMG signals using novel optimised machine learning techniques. Medical & Biological Engineering & Computing 60, 683-699.
[12] Lidhya, L., Saranya, S., Poonguzhali, S., 2014. Analysis of lower extremity muscle activation usig EMG. Applied Mechanics and Materials 573, 797-802.
[13] Moreira, L., Figueiredo, J., Fonseca, P., Vilas-Boas, J. P., Santos, C. P., 2021 Lower limb kinematic, kinetic, and EMG data from young healthy humans during walking at controlled speeds. Scientific Data 8, 103.
[14] Seireg, A., Arvikar, R.J., 1973. A mathematical model for evaluation of forces in lower extremities of the musculo-skeletal system. Journal of Biomechanics 6, 313-326.
[15] Arnold, E.M., Ward, S.R., Lieber, R.L., Delp, S.L., 2010. A model of the lower limb for analysis of human movement. Annals of Biomedical Engineering 38, 269-279.
[16] Hoy, M.G., Zajac, F.E., Gordonab, M.E., 1990. A musculoskeletal model of the human lower extremity: The effect of muscle, tendon, and moment arm on the moment-angle relationship of musculotendon actuators at the hip, knee, and ankle. Journal of Biomechanics 23, 157-169.
[17] https://www.anybodytech.com
[18] https://biomed.bas.bg/bg/structure/motor-control/ (section current projects).
[19] Ward, S.R., Eng, C.M., Smallwood, L.H., Lieber, R.L. 2009. Are current measurements of lower extremity muscle architecture accurate? Clin Orthop Relat Res. 467,1074-82.
[20] Voronov, A.V., 2003. Anatomical cross-sectional areas and volumes of the muscles of the lower extremities. Human Physiology 29, 201–211.
[21] Raikova, R., 2010. Some considerations about the prediction of muscle forces for multi-joints biomechanical models. Series on Biomechanics 25, 3-4.
[22] Raikova, R., Ivanova, Z., Angelova, S., 2022. An indeterminate problem for an upper limb model with four biarticular muscles and its three modifications - analytical and numerical solution and sensitivity analysis. Series on Biomechanics 36, 2.
[23] Pierrynowski, M.R, Morrison, J.B., 1985. Estimating the muscle forces generated in the human lower extremity when walking: a physiological solution. Mathematical Biosciences 75, 43-68.
[24] Nikolova, G., Dantchev, D., 2022. Gender dependence of the geometric and mass-inertial characteristics via a 3D biomechanical model of the human body. Series on Biomechanics 36, 113-119.
[25] Nikolova, G., Tsveov, M., Dantchev, D., Kiriazov, P., 2021. CAD design of a new 3D geometrical model of the human body. Series on Biomechanics 35, 58-64.
[26] Moore, K.L., Dalley, A.F.I.I., Agur, A.M.R. Clinically oriented anatomy. 2018, Philadelphia: Wolters Kluwer, 8th edition.
[27] Maton, B., Bouisset, S., 1977. The distribution of activity among the muscles of a single group during isometric contraction. European Journal of Applied Physiology 37, 101–109.
[28] Ivanov, I., Ranchev, S., Stoychev, S., 2024. Experimental Ultrasound Approach for Studying Knee Intra-Articular Femur–Tibia Movements under Different Loads. Journal of Functional Morphology and Kinesiology 9, 8.
|
|
| Date published: 2024-11-15
(Price of one pdf file: 39.00 BGN/20.00 EUR)
