Журнал судебной биомеханики

Абстрактный

Трехмерная динамическая вычислительная модель движения туловища человека, основанная на стабильности: на пути к разработке парадигмы для судебно-медицинского биомеханического анализа спинальных травм

Вахид Хорсанд Вакилзаде, Мохсен Асгари, Хасан Саларие, Наира Х. Кэмпбелл-Кюрегян, Мохамад Парнианпур и Кинда Халаф

Предыстория: Травмы позвоночника и связанные с ними судебные разбирательства продолжают представлять значительные человеческие и экономические проблемы во всем мире. Биомеханические прогностические имитационные модели позвоночника предоставляют эффективные по времени и затратам инструменты для количественного анализа биомеханики судебно-медицинской экспертизы травм.
Методы: Для моделирования движения туловища человека была разработана трехмерная вычислительная модель, включающая 18 мышц. Для моделирования оптимальных траекторий, связанных с движением туловища, использовались три физиологически обоснованных индекса производительности. Момент, генерируемый вокруг пояснично-крестцового сустава, был рассчитан с использованием обратной динамики. Вклад мышц в момент оценивался путем выполнения оптимизации на основе статической устойчивости, где моделировалось движение туловища из вертикального положения до 60 градусов сгибания. Вклад внутреннего механизма в устойчивость позвоночника был рассмотрен путем добавления ограничений устойчивости в процедуру оптимизации с одновременным разрешением увеличения активности антагонистических мышц.
Результаты: Совместное сокращение агонистических и антагонистических мышц в полученной вычислительной модели увеличивает жесткость сустава вокруг сустава L5/S1. Мышечные веретена обеспечивают рефлекторную обратную связь для управления положением туловища во время выполнения оптимальной траектории. Увеличение задержки во времени в рефлекторном механизме снижает стабильность позвоночника.
Заключение: Основной вклад этой работы двоякий: 1. Новое использование трех физиологически правдоподобных индексов производительности для моделирования движения позвоночника с ограничениями стабильности и без них, и 2. Включение нескольких хорошо известных упреждающих и обратных связей в модель. Индексы производительности туловища привели к различным моделям движения и моделям мышечного рекрутирования. Модель предсказала, что наложение стабильности туловища вызывает более высокую жесткость позвоночника за счет увеличения мышечного рекрутирования в соответствии с экспериментальными данными. Это исследование предоставляет вычислительную структуру для моделирования и прогнозирования движения позвоночника, которая может быть использована для количественного судебно-медицинского биомеханического анализа спинальных травм.