Valutazione dei modelli muscolari per la simulazione degli infortuni

I modelli digitali del corpo umano (HBM) ci aiutano a capire come avvengono le lesioni durante incidenti automobilistici a bassa velocità, esposizione a Vibrazioni e Infortuni sportivi. Questi modelli simulano come il corpo reagisce in vari scenari che possono portare a infortuni. Una delle sfide nell’uso di questi modelli è che quando i muscoli di una persona sono attivati, possono cambiare il modo in cui il corpo si muove e influenzare il rischio di lesioni. I muscoli attivi possono generare molta forza anche quando sono allungati solo un po', e possono diventare più rigidi e assorbire di più rispetto a quando sono a riposo.

La maggior parte degli HBM digitali si basa su un tipo specifico di modello muscolare chiamato modello di Hill. Questo modello è stato sviluppato alla fine degli anni '50 e aiuta a simulare come i muscoli rispondono a diverse condizioni. Tuttavia, ci sono limitazioni a questo modello, specialmente quando si esaminano situazioni come l’allungamento attivo o le vibrazioni, che sono cruciali per comprendere le lesioni.

I modelli che simulano le lesioni di solito valutano l'intero sistema muscolo-scheletrico anziché controllare ogni muscolo singolarmente. Questo può rendere difficile sapere se i Modelli Muscolari sono accurati poiché è complicato misurare le condizioni muscolari esatte nei viventi. Esperimenti su muscoli isolati possono fornire un miglior controllo sulle condizioni e aiutare a misurare le Forze prodotte dai muscoli.

Nonostante molti studi sul comportamento muscolare in diverse condizioni, non c’è abbastanza attenzione su come i muscoli rispondono durante l’allungamento attivo o le vibrazioni. Inoltre, ci sono valutazioni limitate dei modelli muscolari usati nel software di simulazione comune. Studi recenti indicano preoccupazioni riguardo all'accuratezza di questi modelli muscolari durante le simulazioni di infortuni e vibrazioni, poiché le forze generate non corrispondono sempre ai dati sperimentali.

In questo lavoro, valutiamo l'accuratezza di tre modelli muscolari utilizzati in un particolare software di simulazione simulando diversi tipi di esperimenti muscolari. Vediamo come questi modelli si comportano quando simulano le risposte muscolari durante una varietà di condizioni, soprattutto quelle legate a infortuni. I tre modelli muscolari variano in complessità, da una versione base a una che tiene conto di proprietà muscolari più avanzate.

#Modelli Muscolari

I modelli muscolari che valutiamo consistono in un modello di Hill base, un modello esteso che include un tipo speciale di tendine elastico e un modello più recente che incorpora sia l'elasticità del muscolo che altre proprietà complesse. Ogni modello può essere regolato per rappresentare diversi muscoli cambiando i loro attributi, come la forza massima e la lunghezza.

Il modello di Hill base è semplice e non tiene conto di effetti tendinei. Al contrario, il modello esteso di Hill include un tendine viscoelastico che aggiunge più complessità e realismo. Il modello più recente incorpora ulteriormente proprietà del muscolo stesso, incluso un componente chiamato titina, che è una grande proteina che gioca un ruolo cruciale nella funzione muscolare.

Ogni modello rappresenta il muscolo come una singola linea che si collega a un tendine. Il muscolo può agire nella stessa direzione del tendine o ad un angolo, il che è importante per comprendere diversi tipi di movimenti. La forma del muscolo e del tendine è progettata per imitare le condizioni della vita reale e consente a ciascun modello di simulare come i muscoli rispondono durante varie attività.

#Simulazioni di Riferimento

Scegliamo quattro esperimenti chiave per testare l'accuratezza dei modelli muscolari. Questi esperimenti misurano come i muscoli generano forza quando vengono allungati e come rispondono quando allungano o vibrano. Valutando questi esperimenti, possiamo vedere quanto bene si comporta ogni modello in condizioni specifiche.

Per garantire test equi, adattiamo i modelli utilizzando parametri da esperimenti precedenti. Il processo di adattamento implica regolare i modelli per avvicinarli ai dati sperimentali. In questo modo, le prestazioni di ciascun modello muscolare possono essere confrontate equamente.

Il primo esperimento prevede il stretching passivo del muscolo per vedere come risponde. Nel secondo esperimento, misuriamo come il muscolo genera forza quando è attivamente contratto. Il terzo esperimento verifica come i muscoli rispondono durante l'allungamento attivo, e il quarto monitora la risposta del muscolo alle vibrazioni.

Simulando questi esperimenti per i tre modelli muscolari selezionati, puntiamo a illustrare i loro punti di forza e di debolezza nell'modellare accuratamente il comportamento muscolare. Le valutazioni si concentrano su quanto bene i modelli replicano i dati sperimentali e come si differenziano l'uno dall'altro.

#Relazioni Forza-Lunghezza Isometriche Attive e Passive

Per valutare i modelli, osserviamo come simulano la forza generata durante sia lo stretching attivo che quello passivo. Le relazioni forza-lunghezza attive si riferiscono a quanta forza produce un muscolo mentre si contrae, mentre le relazioni forza-lunghezza passive si riferiscono a quanta forza viene prodotta quando un muscolo è allungato senza alcuna attivazione.

Gli esperimenti mostrano che la forma delle risposte di forza muscolare può differire dalle previsioni teoriche a causa del modo in cui le fibre sono disposte all'interno del muscolo. Le prestazioni dei modelli vengono misurate confrontando le loro uscite durante le simulazioni con i dati sperimentali reali.

Inizialmente, valutiamo la relazione forza-lunghezza passiva, dove i muscoli vengono allungati senza alcuna attivazione. Poi, simuliamo contrazioni isometriche per osservare come il muscolo genera forza quando è mantenuto a lunghezze specifiche. I risultati dei modelli rivelano sia somiglianze che differenze nelle prestazioni.

Tutti e tre i modelli mostrano un'accuratezza comparabile nel seguire i dati sperimentali. Tuttavia, il modello EHTMM presenta alcune discrepanze a causa della sua rappresentazione matematica, il che porta a un errore maggiore in alcuni casi. In generale, mentre i modelli funzionano bene, nessuno replica con successo il cambiamento nella forza di picco che si verifica durante l'attivazione submassimale.

#Accorciamento e Allungamento Attivo sulla Parte Ascendente

Nella fase successiva, valutiamo come i modelli rispondono durante le fasi di accorciamento e allungamento attivo. Questo test è cruciale perché esamina come i muscoli generano e gestiscono le forze durante cambiamenti rapidi di lunghezza, che è comune durante le attività fisiche.

Per fare questo test, simuliamo movimenti attivi basati su dati sperimentali. Ogni modello subisce una serie di contrazioni e allungamenti, e le forze generate vengono registrate. I risultati di questa fase mostrano che mentre i modelli possono replicare bene le risposte di accorciamento, ci sono notevoli differenze durante le fasi di allungamento.

Il modello VEXAT offre una corrispondenza più vicina ai dati sperimentali, specialmente in termini di catturare le forze di picco durante l'allungamento attivo. Al contrario, i modelli MAT_156 e EHTMM sottovalutano costantemente le forze generate durante l'allungamento, indicando una limitazione nelle loro prestazioni.

#Allungamento Attivo sulla Parte Discendente

Il test successivo coinvolge l'allungamento attivo sulla parte discendente, dove le forze prodotte sono tipicamente più elevate durante l'allungamento rispetto all'accorciamento. Questo fenomeno è significativo considerando i rischi di lesioni, poiché indica che i muscoli possono generare forze più elevate in determinate condizioni, aumentando le possibilità di infortunio man mano che la tensione aumenta.

Simuliamo diversi livelli di allungamento attivo e confrontiamo l'output con le misurazioni sperimentali. I risultati indicano che il modello VEXAT replica efficacemente i profili di forza durante queste condizioni. Al contrario, sia i modelli MAT_156 che EHTMM non riescono a raggiungere i livelli di forza più elevati osservati nel comportamento muscolare reale.

Queste differenze evidenziano l'importanza di utilizzare modelli che rappresentano accuratamente il comportamento muscolare durante l'allungamento, poiché questo può avere un impatto significativo sulle valutazioni del rischio di lesioni.

#Risposta in Frequenza del Muscolo

I muscoli rispondono in modo diverso alle vibrazioni, il che può influenzare il loro funzionamento e potrebbe contribuire a disagio o cinetosi durante varie attività. Per valutare quanto bene i modelli muscolari simulano questo comportamento, conduciamo esperimenti che misurano come i muscoli reagiscono agli stimoli vibratori.

Confrontando la forza prodotta da ciascun modello durante particolari perturbazioni, valutiamo quanto accuratamente replicano la risposta in frequenza osservata negli esperimenti muscolari reali. I risultati indicano che il modello VEXAT raggiunge una migliore corrispondenza ai dati sperimentali rispetto agli altri modelli.

Sebbene tutti i modelli mostrino un certo livello di reattività alle vibrazioni, solo il modello VEXAT assomiglia da vicino al comportamento previsto del muscolo biologico. Questo sottolinea la necessità di una modellazione accurata quando si simulano condizioni che coinvolgono vibrazioni.

#Implicazioni per la Simulazione di Lesioni

Simulare lesioni utilizzando modelli digitali del corpo umano può essere complicato a causa dei numerosi fattori coinvolti in come muscoli e articolazioni interagiscono durante un incidente o un'attività fisica. Quando una persona è coinvolta in un incidente automobilistico, pratica sport o è esposta a vibrazioni, i suoi muscoli possono attivarsi, cambiando i loro movimenti e i fattori di rischio per lesioni.

Scopriamo che i risultati delle nostre simulazioni rivelano che il modello VEXAT è più efficace nel riconoscere le forze coinvolte durante scenari in cui potrebbero verificarsi lesioni. Questo è particolarmente rilevante per valutare i movimenti articolari e come potrebbero contribuire a lesioni. Modelli che non hanno la capacità di rappresentare il comportamento muscolare attivo possono sottovalutare il rischio di lesioni, il che potrebbe portare a valutazioni ingannevoli in applicazioni reali.

#Conclusione

Questa analisi dei tre modelli muscolari mostra che, mentre si comportano in modo simile in alcuni aspetti, ci sono differenze significative nel modo in cui gestiscono diverse condizioni fisiologiche. Il modello VEXAT dimostra un'accuratezza migliorata, soprattutto durante l'allungamento attivo e le risposte alle vibrazioni rispetto ai modelli MAT_156 e EHTMM.

Mentre esploriamo il comportamento dei muscoli in diverse condizioni, diventa chiaro che una modellazione muscolare accurata è essenziale per comprendere i rischi di lesioni. I risultati di questo studio possono guidare miglioramenti nei modelli digitali del corpo umano, portando infine a migliori strategie di prevenzione delle lesioni e implementazioni di design nell'ingegneria della sicurezza, nella scienza dello sport e nella riabilitazione.

Continuando a perfezionare questi modelli, possiamo migliorare la nostra comprensione del comportamento muscolare, consentendoci di migliorare le valutazioni delle lesioni e promuovere risultati migliori in varie attività fisiche.