骨骼肌力学行为多尺度建模与仿真

The main purpose of this project is to build a theory and method of multi-scale modeling of skeletal muscle based on physiological mechanism of mechanical behavior and to build theoretical principle for implementing computer simulation of muscle force prediction based on multi-scale model of skeletal muscle. For getting a modularized, complex and extensible multi-scale model of mechanical behavior of skeletal muscle, we carry out four aspects of research work. (1) A skeletal muscle geometry model is built based on macro and micro configuration and structure. (2) A skeletal muscle electrophysiology model is built based on excitation-contraction coupling mechanism. (3) A multi-scale biomechanical model is built based on active and passive behavior of skeletal muscle. (4) Computer simulation of muscle force prediction and model verification is complemented based on multi-scale model. The project put forward an innovation in research approach through applying nondestructive medical image acquisition technology, method for modeling the behavior of cells, method for modeling the electrical excitation diffusion, multigrid method, modeling method of elastic mechanics, lookup table method, finite element method and comparative verification method to solving the multi-scale modeling scientific problems. We hope it can overcome the bottleneck problems in modeling process from cellular electrophysiology to the muscle force output and offer key technologies for getting multi-scale skeletal muscle information, understanding the mechanism underlying complex diseases using the multi-scale model and simulating complex physiological processes.

项目主要目标是提出依据力学行为的生理学机制建立骨骼肌多尺度模型的理论与方法，为在骨骼肌多尺度模型基础上实现肌肉力预测的计算机仿真建立理论基础。项目从建立模块化、复杂性、可扩展的骨骼肌力学行为多尺度模型角度开展四个方面的研究工作：(1) 基于骨骼肌形态和结构建立宏微观几何模型。(2) 基于兴奋-收缩偶联机制建立骨骼肌电生理特性模型。 (3) 基于主动力学行为与被动力学行为建立骨骼肌多尺度生物力学模型。(4) 基于多尺度模型实现肌肉力预测的计算机仿真和模型验证。项目提出了将非破坏性医学图像获取技术、细胞行为建模方法、电兴奋扩散建模方法、多重网格法、弹性力学建模方法、查询表法、有限元法、对比验证方法应用于解决骨骼肌多尺度建模科学问题的创新研究思路，有希望攻克从细胞电生理到肌肉力输出建模过程中的瓶颈问题，为利用多尺度模型输出骨骼肌多尺度信息、理解复杂疾病潜在机理、模拟复杂生理过程提供了关键性技术。

分析和探究骨骼肌功能的研究，目前几乎完全集中于体内、体外实验测试上，或者采用解剖推算法判断肌肉的作用；或者应用肌电图配合遥测技术及快速摄影等方法，在人体做各种运动时，通过测出不同部位的肌肉活动情况，判断肌肉的作用。由于骨骼肌复杂的解剖力学特性和实验手段的限制，实验结果往往只能反映骨骼肌功能的宏观综合特征，不能客观判断出宏观表现的微观起源，这样的结果无法满足医疗、体育训练等领域深入探究骨骼肌功能的需求。本项目正是基于以上背景提出的，研究定位于：骨骼肌力学行为多尺度建模与仿真。主要研究内容包括：(1)建立包括膜电位变化模型、钙循环过程模型和横桥动力学模型的骨骼肌电生理特性模型。(2)建立包括动作电位传导模型、被动力学模型和主动力学模型的骨骼肌多尺度生物力学模型。(3)基于多重网格法和有限元方法实现骨骼肌多尺度模型仿真。包括从肌纤维到骨骼肌的几何建模、网格划分和有限元模型的仿真。重要结果包括：(1)构建了骨骼肌电生理模型，实现激活动作电位到横桥动力学的骨骼肌纤维力学行为的连续表达，更加真实的描述复杂细胞行为。(2)构建了骨骼肌多尺度生物力学模型，首次实现基于骨骼肌力学行为的生理运行过程建立骨骼肌生物力学模型。(3)利用骨骼肌多尺度模型仿真了不同代谢供能系统对于骨骼肌收缩过程中的钙离子和力的影响，利用多尺度模型实现了粗细肌丝有重合和无重合时快肌纤维的疲劳仿真。科学意义主要体现在：所构建的骨骼肌模型，融合了解剖信息、电生理信息、生物力学和部分神经生理学信息，允许对大范围生理学参数和结构参数的影响进行分析；能够揭示更多结构与功能之间的内在联系，可以用于验证神经生理学、电生理学、病理学、生物力学等多领域研究成果；与实验研究手段互补，在相关领域研究中为科学推断、科学假设提供更有效的定量判定依据；可以实现真正意义上的骨肌系统前向动力学仿真，有助于推导出特定动作的肌肉运行方式，指导康复训练模式的修正和体育训练。