一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法
专利汇可以提供一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且当前单肌 纤维 实验结果很少与宏观肌肉行为连接到一起，而肌纤维的性能改变与肌肉紊乱 疾病 密切相关。在肌束建模时，通常肌纤维分为快肌纤维和慢肌纤维两类，然而考虑到肌纤维的不同几何特性、收缩特性和代谢特性，可以把肌纤维分成三类，分别是慢收缩 氧 化型肌纤维、快收缩氧化‑酵解型肌纤维、快收缩酵解型肌纤维。本 发明 通过设计三类肌纤维Hill三元素模型，并基于Hill三元素模型建立三类单肌纤维有限元模型。然后把三类肌纤维依据其实际分布情况和数量并行连接，耦合成肌束模型，该模型可以进行研究不同激活数量、不同激活类型或不同激活程度的肌纤维在肌束中是如何相互作用产生肌束 力 和位移的。，下面是一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法专利的具体信息内容。
1.一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，该骨骼肌肌束模型由慢收缩氧化型肌纤维、快收缩氧化酵解型肌纤维和快收缩酵解型肌纤维组成，所述一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法是基于Hill三元素理论的有限元建模方法，具体方法为：
步骤一：设计Hill三元素模型，包括对Hill三元素模型中的收缩元CE，串联弹性元SE和平行弹性元PE进行设计，具体过程如下：
1)三元素长度关LSE＝kLCE系满足如下方程：
lPE＝lSE+lCE， (1)式中lPE、lSE、lCE分别为PE、SE、CE当前长度，LSE、LCE、LPE分别为SE、CE、PE的初始长度，k为比例系数，k＝0.3；
2)由于CE和SE串联，所以在任何时刻满足如下等式：
PSE＝PCE (2)式中PSE、PCE分别为Hill三元素模型中串联弹性元产生的被动张力、收缩元产生的主动力，收缩元在非激活状态下可以被自由拉伸，且串联弹性元被动张力PSE为：
PSE＝β{exp[α(λf-1)-1]} (3)式中β、α分别为指数前因子，指数因子；串联弹性元负责外部载荷突然变化情况下的快速响应；
式(2)中收缩元产生的主动力PCE为：
式中为P0肌纤维最大张力，fa(t)表示肌纤维在t时刻的激活水平，fl(λm)为肌纤维的长度-力函数， 为肌纤维的速度-力函数，其中激活水平函数fa(t)如下：
式中ht(t,ti)＝1-exp[-S(t-ti)]，S为时间常数50s-1，t0、t1分别是激活的初始时间和终止时间，常数a0、a1分别设为0和1；
式(4)中fl(λm)遵循Hill三元素的力和长度关系，且fl(λm)函数如下：
式中λopt、λmin分别代表在肌纤维在等长激活情况下，收缩元(CE)对于fl(λm)的最佳拉伸和最小拉伸，且
式(4)中 函数如下：
式中 分别为收缩元的拉伸率和最大拉伸率，kc为变形系数，由实验所得，且三类肌纤维对应的值各不相同； 表示肌纤维同心收缩情况下三元素的力速度关系；收缩元的最大拉伸率 与单肌纤维最大收缩速度Vmax相关：
3)并联弹性元的弹性力代表由肌节周围组织成分产生的被动力，如由肌膜和肌内膜生成的被动力，对于并联弹性元的被动张力和拉伸关系采用了一种非线性函数，且并联弹性元被动张力PPE为：
式中P0为肌纤维最大等长收缩力，其中
4)对慢收缩氧化型肌纤维、快收缩氧化-酵解型肌纤维和快收缩酵解型肌纤维进行的各自的松弛实验和等速收缩实验，从实验数据获取Hill三元素方程中的参数值；这三类肌纤维模型都由相同本构模型建立，由于三类肌纤维的几何形状和收缩特性各不相同，所以慢收缩氧化型肌纤维、快收缩氧化-酵解型肌纤维和快收缩酵解型肌纤维的参数值也不相同；通过松弛实验，获得描述串联弹性元张力函数PSE中的参数值α和β；通过等速收缩实验，获得描述收缩元主动力函数PCE中的参数kc、 和P0的值，其中kc通过最小二乘法获得；
步骤二：基于Hill三元素模型建立单肌纤维有限元模型，通过测试并获得三类肌纤维的平均形状和尺寸大小，重塑三类肌纤维的三维结构，然后采用有限元分析方法对其进行受力变形分析；
步骤三：通过DT-MRI医学图像或肌肉超声回波描记术获得不同肌纤维类型的分布情况，将三类不同数量的单肌纤维有限元模型按实际分布耦合到肌束有限元模型中；单肌纤维通过肌纤维有限元模型表面并行连接；通过模拟激活不同数量或不同类型的肌纤维，对该骨骼肌肌束模型计算肌束力和肌束位移，并通过与组成该肌束模型的单肌纤维力位移关系分析对比。
2.根据权利要求1所述的一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，建立单肌纤维的有限元模型，具体过程如下：
通过测试并获得三类肌纤维的平均形状和尺寸大小，重塑三类肌纤维的三维结构，并通过有限元分析方法对其进行受力分析，其中肌纤维三维结构划分为八顶点六面体的网格；肌纤维的拉伸λf为：
式中二阶张量 是Cauchy-Green应变张量的等体积部分，n0是肌纤维初始处置的单位向量；
式中J为变形雅克比矩阵，F为变形梯度。
3.根据权利要求1所述的一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法，其特征在于，通过DT-MRI医学图像或肌肉回声描述技术测量三种肌纤维在肌束中的数量和分布的相对位置，进行耦合慢收缩氧化型肌纤维模型、快收缩氧化-酵解型肌纤维模型和快收缩酵解型肌纤维模型，各个肌纤维通过他们的表面并行连接；通过激活不同程度、不同数量、不同类型的肌纤维，预测肌束产生的力和位移。
一种骨骼肌肌束有限元模型的建模方法
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具体实施方式
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