Identification of muscle forces and activation of quadriceps femoris muscles of healthy adults considering knee damping effects during patellar tendon reflex

Abstract

인체 해석모델은 주로 인간이 의식적으로 행하는 운동을 중심으로 발전해 왔다. 의식적 운동과달리 슬개건 반사는 뇌를 거치지 않고 일어난다. 본 연구는 건강한 성인의 슬개건 반사로 인한 대퇴부의 근력과 근활성도를 해석적으로 예측하고자 하였다. 해석 모델은 시상면에서 평면운동을 하고, 앉은자세에서 상체와 허벅지를 고정시켜 종아리만 진자 운동이 가능하도록 모델링 하였다. 무릎은 레볼루트조인트로 모델링 하였고, 발목관절은 고정시켜 종아리와 발을 하나의 강체로 가정하였다. 근력은Mamizuka 의 실험 결과로부터 얻은 운동학 정보를 이용하여 역동역학 해석을 통해 구하였으며, 근활성도는 Hill-type 근육 모델을 이용하여 예측하였다. 해석 결과는 실험결과를 통해 검증되었다.Most analytical models of the human body have focused on conscious responses. A patellar tendon reflex, a representative example of spinal reflexes, occurs without a neural command. Muscle forces and activation of the quadriceps femoris muscles in healthy adults during patellar tendon reflex are identified in this study. The model is assumed to move in the sagittal plane, and the thigh and the trunk are assumed to be fixed in a sitting position so that the shank can move similar to a pendulum. The knee joint is modeled as a revolute joint, and the ankle joint is modeled as a fixed joint so that the shank and the foot can be regarded as one rigid body. Muscle forces are calculated following the inverse dynamic approach. Kinematic data obtained from an experiment (Mamizuka, 2007) are used as input data.Muscle activations are identified using a Hill-type muscle model. The obtained simulation results are compared with experimental results for validating the model and the underlying assumptions.