骨骼肌力学行为多尺度建模与仿真

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61572159
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0209.计算机图形学与虚拟现实
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

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。

结项摘要

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。

项目成果

期刊论文数量(27)
专著数量(2)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(4)
专利数量(36)
Compressible Hyperelastic Models for Soft Biological Tissue: A Review
软生物组织的可压缩超弹模型:综述
  • DOI:
    10.1166/jbt.2018.1888
  • 发表时间:
    2018-10
  • 期刊:
    Journal of Biomaterials and Tissue Engineering
  • 影响因子:
    0.1
  • 作者:
    Monan Wang;Fengjie Liu
  • 通讯作者:
    Fengjie Liu
Modeling and simulation of skeletal muscle based on combined exponential and polynomial model
基于指数多项式组合模型的骨骼肌建模与仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Mechanics in Medicine and Biology
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    Monan Wang;Xianjun An;Ning Yang
  • 通讯作者:
    Ning Yang
力和组织内氧气调控的骨折愈合过程仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    自动化学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠
  • 通讯作者:
    王沫楠
A review of computational models of bone fracture healing
骨折愈合计算模型综述
  • DOI:
    10.1007/s11517-017-1701-3
  • 发表时间:
    2017-11-01
  • 期刊:
    MEDICAL & BIOLOGICAL ENGINEERING & COMPUTING
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Wang, Monan;Yang, Ning;Wang, Xinyu
  • 通讯作者:
    Wang, Xinyu
基于血液供给条件和力学环境的骨折愈合仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    自动化学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠
  • 通讯作者:
    王沫楠

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其他文献

股骨假体结构与材料性能分析及多目标优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    哈尔滨工业大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠
  • 通讯作者:
    王沫楠
A direct simulation method of hip joint surface contact stress
髋关节表面接触应力的直接模拟方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Journal of Investigative Medicine, 2015, 63(8): 75.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠
  • 通讯作者:
    王沫楠
基于 ANSYS 与 ADAMS 的柔性体联合仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    系统仿真学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张永德;姜金刚;王沫楠;汪洋涛
  • 通讯作者:
    汪洋涛
基于生物力学信息数字化机器人辅助手术系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠;安贤俊
  • 通讯作者:
    安贤俊
股骨颈骨折固定方式研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    哈尔滨理工大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王沫楠;郭鸿书
  • 通讯作者:
    郭鸿书

其他文献

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王沫楠的其他基金

多因素调控的骨折愈合过程多尺度建模与仿真
  • 批准号:
    61972117
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    61 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于生物学机理的骨折愈合动态过程建模与仿真关键技术研究
  • 批准号:
    61272387
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    82.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
计算机辅助虚拟骨科手术系统髋关节个体化精确建模方法研究
  • 批准号:
    61073144
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    33.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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