Modeling, simulation and animation of an arc reflex system

Resumen

The study of biological and physiological systems using mathematical modeling and simulation techniques represents an emerging tendency within engineering and medicine. In this paper, a model for the arc reflex is obtained as example of a physiological control system. To this purpose, a model for each of the associated systems is proposed; muscle spindle as sensor, muscle as actuator, and the nerve structure of the arc reflex as signal processor and controller. Also, the interaction and combined dynamics of these elements is studied as part of a stretch reflex global system. Furthermore, a computational mimic is developed in order to show the system behavior via intuitive graphic animations that depicts the system as it is seen in reality. The mimic’s movement is based on the dynamics of the obtained mathematical model.

Palabras clave: Arc reflex, computational mimic, mathematical model, muscle contraction, muscle spindle.

Abstract

El estudio de sistemas biofísicos y fisiológicos a través de las técnicas de modelado y simulación representa una tendencia en auge dentro de la ingeniería y la medicina. En este trabajo, se obtiene un modelo matemático para un arco reflejo como ejemplo de un sistema fisiológico de control y procesamiento de señales. Para esto se plantea un modelo para cada uno de los sistemas asociados; el huso muscular como sensor, el músculo esquelético como actuador y la estructura nerviosa del arco reflejo como procesador de señales y controlador. Se estudia además la interacción y dinámica combinada de estos sistemas y otros elementos con el fin de obtener un modelo que acople todos los componentes. Además, se desarrolla un mímico computacional que permite la visualización del comportamiento del sistema en estudio, por medio de animaciones gráficas intuitivas que se asemejen a la realidad del sistema. El movimiento del mímico es basado en la dinámica del modelo matemático obtenido.

Key words: Arco reflejo, mímico computacional, modelo matemático, contracción muscular, huso muscular.