一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法
專利匯可以提供一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且當(dāng)前單肌 纖維 實(shí)驗(yàn)結(jié)果很少與宏觀肌肉行為連接到一起，而肌纖維的性能改變與肌肉紊亂 疾病 密切相關(guān)。在肌束建模時，通常肌纖維分為快肌纖維和慢肌纖維兩類，然而考慮到肌纖維的不同幾何特性、收縮特性和代謝特性，可以把肌纖維分成三類，分別是慢收縮 氧 化型肌纖維、快收縮氧化?酵解型肌纖維、快收縮酵解型肌纖維。本 發(fā)明 通過設(shè)計三類肌纖維Hill三元素模型，并基于Hill三元素模型建立三類單肌纖維有限元模型。然后把三類肌纖維依據(jù)其實(shí)際分布情況和數(shù)量并行連接，耦合成肌束模型，該模型可以進(jìn)行研究不同激活數(shù)量、不同激活類型或不同激活程度的肌纖維在肌束中是如何相互作用產(chǎn)生肌束 力 和位移的。，下面是一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，該骨骼肌肌束模型由慢收縮氧化型肌纖維、快收縮氧化酵解型肌纖維和快收縮酵解型肌纖維組成，所述一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法是基于Hill三元素理論的有限元建模方法，具體方法為：
步驟一：設(shè)計Hill三元素模型，包括對Hill三元素模型中的收縮元CE，串聯(lián)彈性元SE和平行彈性元PE進(jìn)行設(shè)計，具體過程如下：
1)三元素長度關(guān)LSE＝kLCE系滿足如下方程：
lPE＝lSE+lCE，???????????????????????????????????????????????????????????(1)式中l(wèi)PE、lSE、lCE分別為PE、SE、CE當(dāng)前長度，LSE、LCE、LPE分別為SE、CE、PE的初始長度，k為比例系數(shù)，k＝0.3；
2)由于CE和SE串聯(lián)，所以在任何時刻滿足如下等式：
PSE＝PCE???????????????????????????????????????????????????????????????(2)式中PSE、PCE分別為Hill三元素模型中串聯(lián)彈性元產(chǎn)生的被動張力、收縮元產(chǎn)生的主動力，收縮元在非激活狀態(tài)下可以被自由拉伸，且串聯(lián)彈性元被動張力PSE為：
PSE＝β{exp[α(λf-1)-1]}??????????????????????????????????????????(3)式中β、α分別為指數(shù)前因子，指數(shù)因子；串聯(lián)彈性元負(fù)責(zé)外部載荷突然變化情況下的快速響應(yīng)；
式(2)中收縮元產(chǎn)生的主動力PCE為：
式中為P0肌纖維最大張力，fa(t)表示肌纖維在t時刻的激活水平，fl(λm)為肌纖維的長度-力函數(shù)， 為肌纖維的速度-力函數(shù)，其中激活水平函數(shù)fa(t)如下：
式中ht(t,ti)＝1-exp[-S(t-ti)]，S為時間常數(shù)50s-1，t0、t1分別是激活的初始時間和終止時間，常數(shù)a0、a1分別設(shè)為0和1；
式(4)中fl(λm)遵循Hill三元素的力和長度關(guān)系，且fl(λm)函數(shù)如下：
式中λopt、λmin分別代表在肌纖維在等長激活情況下，收縮元(CE)對于fl(λm)的最佳拉伸和最小拉伸，且
式(4)中 函數(shù)如下：
式中 分別為收縮元的拉伸率和最大拉伸率，kc為變形系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)所得，且三類肌纖維對應(yīng)的值各不相同； 表示肌纖維同心收縮情況下三元素的力速度關(guān)系；收縮元的最大拉伸率 與單肌纖維最大收縮速度Vmax相關(guān)：
3)并聯(lián)彈性元的彈性力代表由肌節(jié)周圍組織成分產(chǎn)生的被動力，如由肌膜和肌內(nèi)膜生成的被動力，對于并聯(lián)彈性元的被動張力和拉伸關(guān)系采用了一種非線性函數(shù)，且并聯(lián)彈性元被動張力PPE為：
式中P0為肌纖維最大等長收縮力，其中
4)對慢收縮氧化型肌纖維、快收縮氧化-酵解型肌纖維和快收縮酵解型肌纖維進(jìn)行的各自的松弛實(shí)驗(yàn)和等速收縮實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取Hill三元素方程中的參數(shù)值；這三類肌纖維模型都由相同本構(gòu)模型建立，由于三類肌纖維的幾何形狀和收縮特性各不相同，所以慢收縮氧化型肌纖維、快收縮氧化-酵解型肌纖維和快收縮酵解型肌纖維的參數(shù)值也不相同；通過松弛實(shí)驗(yàn)，獲得描述串聯(lián)彈性元張力函數(shù)PSE中的參數(shù)值α和β；通過等速收縮實(shí)驗(yàn)，獲得描述收縮元主動力函數(shù)PCE中的參數(shù)kc、 和P0的值，其中kc通過最小二乘法獲得；
步驟二：基于Hill三元素模型建立單肌纖維有限元模型，通過測試并獲得三類肌纖維的平均形狀和尺寸大小，重塑三類肌纖維的三維結(jié)構(gòu)，然后采用有限元分析方法對其進(jìn)行受力變形分析；
步驟三：通過DT-MRI醫(yī)學(xué)圖像或肌肉超聲回波描記術(shù)獲得不同肌纖維類型的分布情況，將三類不同數(shù)量的單肌纖維有限元模型按實(shí)際分布耦合到肌束有限元模型中；單肌纖維通過肌纖維有限元模型表面并行連接；通過模擬激活不同數(shù)量或不同類型的肌纖維，對該骨骼肌肌束模型計算肌束力和肌束位移，并通過與組成該肌束模型的單肌纖維力位移關(guān)系分析對比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，建立單肌纖維的有限元模型，具體過程如下：
通過測試并獲得三類肌纖維的平均形狀和尺寸大小，重塑三類肌纖維的三維結(jié)構(gòu)，并通過有限元分析方法對其進(jìn)行受力分析，其中肌纖維三維結(jié)構(gòu)劃分為八頂點(diǎn)六面體的網(wǎng)格；肌纖維的拉伸λf為：
式中二階張量 是Cauchy-Green應(yīng)變張量的等體積部分，n0是肌纖維初始處置的單位向量；
式中J為變形雅克比矩陣，F(xiàn)為變形梯度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，通過DT-MRI醫(yī)學(xué)圖像或肌肉回聲描述技術(shù)測量三種肌纖維在肌束中的數(shù)量和分布的相對位置，進(jìn)行耦合慢收縮氧化型肌纖維模型、快收縮氧化-酵解型肌纖維模型和快收縮酵解型肌纖維模型，各個肌纖維通過他們的表面并行連接；通過激活不同程度、不同數(shù)量、不同類型的肌纖維，預(yù)測肌束產(chǎn)生的力和位移。
一種骨骼肌肌束有限元模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
具體實(shí)施方式
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