Was ist ein Momentarm? Berechnung der Muskelwirksamkeit in biomechanischen Modellen unter Verwendung generalisierter Koordinaten

Biomechanik-Forscher verwenden häufig Multikörpermodelle zur Darstellung biologischer Systeme. Allerdings kann die Zuordnung von Biologie zu Mechanik und zurück problematisch sein. OpenSim ist ein beliebtes Open-Source-Tool, das für diesen Zweck verwendet wird, um zwischen biologischen Spezifikationen und einem zugrunde liegenden multidimensionalen Koordinatensystem namens Simbody zu mappen. Eine interessierende Größe für biomechanische Forscher und Kliniker ist der "Muskelmomentarm", ein Maß für die Wirksamkeit eines Muskels bei der Beitrahlung zu einer bestimmten Bewegung über eine Reihe von Konfigurationen. OpenSim kann diese Größen automatisch für jeden Muskel berechnen, sobald ein Modell erstellt wurde. Für einfache Fälle ist diese Berechnung die gleiche wie die klassische Momentarberechnung im Maschinenbau. Aber ein Muskel kann mehrere Gelenke überspannen (z.B. Handgelenk, Nacken, Rücken) und kann einem verwickelten Pfad über verschiedene gekrümmte Flächen folgen. Ein biologisches Gelenk kann mehrere Körper oder sogar einen Mechanismus erfordern, um im Multikörpermodell genau dargestellt zu werden (z.B. Knie, Schulter). In diesen Situationen benötigen wir eine sorgfältige Definition des Muskelmomentarms, die dem Konzept des Maschinenbaus analogous ist, jedoch so verallgemeinert ist, dass sie für biomedizinische Forscher von Nutzen ist. Hier präsentieren wir einige Herausforderungen des biomechanischen Modelling und wie sie in OpenSim und Simbody gelöst werden, um biologisch sinnvolle Muskelmomentarme zu erhalten.