Methodenartikel

Fachspezifische Muskel-Skelett-Modell für die Untersuchung von Knochen Belastung während der dynamischen Bewegung

DOI:

10.3791/56759

⸱

11. April 2018

 , 
1School of Kinesiology, Ball State University, 2Life Fitness Inc.

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bei der Landung Unterkörper-Knochen erleben Sie großen mechanische Belastungen und verformt werden. Es ist wichtig, Verformung der Knochen, besser zu verstehen, die Mechanismen der Knochen Druckverletzungen verbunden mit Auswirkungen zu messen. Ein neuer Ansatz, die Integration von fachspezifischen Muskel-Skelett-Modellierung und finite-Elemente-Analyse wird verwendet, um tibiale Belastung bei dynamischen Bewegungen zu messen.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Knochenverletzungen Stress sind häufig in Sport und militärischen Trainings. Sich wiederholende große Auswirkungen Bodentruppen während des Trainings könnte die Ursache sein. Es ist wichtig, um festzustellen, die Wirkung der hohen Boden Auswirkungen am Unterkörper-Knochen Verformung zwingt, um die Mechanismen der Knochenverletzungen Stress besser zu verstehen. Konventionellen DMS-Messung wurde zur in-Vivo Tibia Verformung zu studieren. Diese Methode ist mit Einschränkungen auch Invasivität des Verfahrens, Einbindung von wenigen Versuchspersonen und begrenzte Belastung Daten aus kleinen Knochen Flächen verbunden. Die vorliegende Studie soll einen neuartigen Ansatz um Schienbein Knochen Belastung unter hohe Schlagzähigkeit Belastungsbedingungen studieren vorstellen. Eine fachspezifische Muskel-Skelett-Modell wurde geschaffen, um eine gesunde männliche (19 Jahre, 80 kg, 1.800 mm) darstellen. Eine flexible finite-Elemente-Tibia-Modell entstand anhand einer Computertomographie (CT) Scan der rechten Tibia des Subjekts. Labor-Motion-Capture wurde durchgeführt, um die Kinematik und Boden Reaktionskräfte des Drop-Landungen aus unterschiedlichen Höhen (26, 39, 52 cm) zu erhalten. Mehrkörper dynamischen Computersimulationen kombiniert mit einer Modalanalyse der flexiblen Tibia wurden durchgeführt, um die Tibia Belastung während Drop-Landungen zu quantifizieren. Berechnete Tibia-Stamm-Daten wurden in guter Übereinstimmung mit früheren in Vivo Studien. Es ist offensichtlich, dass dieser nicht-invasiven Ansatz zur Tibia Knochen Belastung während hohe Schlagzähigkeit Aktivitäten für eine große Kohorte studieren führt zu einem besseren Verständnis der Verletzung Mechanismus der Tibia stressfrakturen eingesetzt werden kann.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Knochenverletzungen Stress wie stressfrakturen, sind schwere Überlastungsschäden erfordern längere Erholung und entstehen erhebliche medizinische Kosten1,2. Stressfrakturen sind häufig sowohl in sportlichen und militärischen Populationen. Unter alle damit verbundenen Sportverletzungen, stressfrakturen entfallen 10 % der insgesamt3. Insbesondere verfolgen Sie Athleten Gesicht eine höhere Verletzungsrate bei 20 %4. Soldaten haben auch eine hohe Rate von stressfrakturen. Zum Beispiel eine Verletzungsrate von 6 % wurde für die US Army1 gemeldet und ein 31 % Verletzungsrate wurde in der israelischen Armee5berichtet. Unter allen gemeldeten stressfrakturen ist Stressfraktur der Tibia am häufigsten eine6,7,8.

Sport und körperlichen Trainings mit einem höheren Risiko der Tibia Stressfraktur sind normalerweise verbunden mit hohen Boden Auswirkungen (z. B.springen, landen und schneiden). Während der Fortbewegung ist eine Bodentruppe Auswirkungen auf den Körper aufgetragen, wenn der Fuß den Boden berührt. Diese Kraft wird durch Muskel-Skelett-System und Schuhe abgeführt. Das Skelettsystem dient als eine Reihe von Hebel, so dass Muskeln, Kräfte zu absorbieren den Boden Auswirkungen9anzuwenden. Wenn die Beinmuskulatur Boden Auswirkungen angemessen reduzieren können, müssen die Unterkörper-Knochen die Restkraft aufnehmen. Knochenstruktur erleben Verformung während dieses Prozesses. Sich wiederholende Absorption der verbleibenden Auswirkungkraft führen Microdamages in den Knochen, die ansammeln und stressfrakturen zu werden. Bis heute, Informationen im Zusammenhang mit Knochen ist Reaktion auf externe Bodentruppen Auswirkungen begrenzt. Es ist wichtig zu untersuchen, wie der Schienbein Knochen reagiert auf die mechanische Belastung durch hohe Aufprallkräfte bei dynamischen Bewegungen eingeführt. Prüfung Schienbein Knochen Verformung bei hohen Impact Aktivitäten führen zu einem besseren Verständnis des Mechanismus der Stressfraktur der Tibia.

Konventionelle Techniken verwendet, um Knochen Verformung in Vivo Messen beruhen auf instrumentierten Dehnungsmessstreifen10,11,12,13,14,15. Chirurgische Eingriffe sind erforderlich, um Dehnungsmessstreifen auf Knochenoberfläche zu implantieren. Aufgrund des invasiven Charakters sind in Vivo Studien durch eine kleine Auswahl von Freiwilligen begrenzt. Darüber hinaus können die DMS nur eine kleine Region der Knochenoberfläche überwachen. Vor kurzem wurde eine nicht-invasive Methode, die Verwendung von Computer-Simulation zu analysieren, Knochen Belastung eingeführte16,17. Diese Methodik ermöglicht die Fähigkeit, Muskel-Skelett-Modellierung und numerische Simulationen verbinden Knochen Belastung während der menschlichen Bewegung zu studieren.

Ein Muskel-Skelett-Modell wird durch ein Skelett und Muskulatur dargestellt. Das Skelett besteht aus Knochen-Segmenten, die starre oder nicht verformbaren Körper sind. Skelettmuskeln sind als Controller mit dem Progressive-Integral-Derivat (PID) Algorithmus modelliert. Die dreimaligen PID-Regelung verwendet Fehler Einschätzung zum Ausgang Genauigkeit18verbessern. Im Wesentlichen versuchen PID-Regler, Muskeln darstellt, Körperbewegungen zu duplizieren, durch die Entwicklung von notwendigen Kräfte um Längenänderungen der Muskeln im Laufe der Zeit zu produzieren. PID-Reglers verwendet den Fehler in der Länge/Zeit-Kurve, um die Kraft für die Reproduktion der Bewegung zu ändern. Dieser Simulationsprozess erstellt eine praktikable Lösung zur Koordination aller Muskeln zusammenarbeiten, um das Skelett und die Bewegung des Körpers zu produzieren.

Ein oder mehrere Segmente in das Skelett des Muskel-Skelett-Modell können als flexible Einrichtungen zur Messung der Verformung ermöglichen modelliert werden. Zum Beispiel kann der Schienbein Knochen in eine endliche Anzahl von Elementen, aufzuschlüsseln besteht aus Tausenden von Elementen und Knoten. Die Wirkung der mechanischen Belastung der flexiblen Tibia kann durch finite Elemente (FE) untersucht werden. Die FE-Analyse berechnet die laden-Reaktion der einzelnen Elemente im Laufe der Zeit. Als die Zahl der Knochen Elemente und Knoten erheblich die Rechenzeit der FE-Analyse.

Um Rechenaufwand mit genaue Bewertung der flexiblen Körper Verformung zu reduzieren, hat FE Modalanalyse entwickelt und eingesetzt in der Automobil-und Luftfahrtindustrie19,20. Anstatt durch die Analyse einzelner FE Elemente Antworten auf mechanische Belastung im Zeitbereich, bewertet dieses Verfahren mechanische Reaktionen eines Objekts basierend auf unterschiedlichen Schwingungs-Frequenzen im Frequenzbereich. Diese Methode führt zu einem deutlichen Rückgang der Rechenzeit und gleichzeitig genaue Messung der Verformung20. Obwohl FE Modalanalyse ist weit verbreitet, mechanische Ermüdung in den Bereichen der Automobil- und Luftfahrtindustrie zu studieren, die Anwendung dieser Methode wurde sehr begrenzt in der Wissenschaft der menschlichen Bewegung. Al Nazer Et Al., verwendet eine Modalanalyse FE, um tibiale Verformung bei menschlichen Gang zu untersuchen und Förderung der Ergebnisse16,17berichtet. Ihre Methode war jedoch stark betroffen, nur mit begrenzten kinematische Daten aus einem Experiment, um die Computersimulationen zu fahren; Es gab keine wirkliche Auswirkung Bodentruppen verwendet, um die Simulationen zu unterstützen. Dieser Ansatz kann für das Studium geringen Auswirkungen Zeitlupen wie walking vertretbar sein, aber es ist keine praktikable Lösung, High Impact Bodenbewegungen zu studieren. Um Unterkörper-Knochen Reaktionen während der dynamischen hohe Schlagzähigkeit Aktivitäten zu untersuchen, ist es so wichtig, einen innovativen Ansatz, um die Einschränkungen der bisher gemeldeten Methode zugeordnet zu beheben zu entwickeln. Insbesondere eine Methode unter Verwendung genaue experimentelle kinematische Daten und Real Bodentruppen Auswirkungen müssen entwickelt werden. Daher war das Ziel dieser Studie ein fachspezifisches Muskel-Skelett-Modell um Mehrkörper dynamische Simulationen mit FE Modalanalyse, tibiale Belastung während hohe Schlagzähigkeit Aktivitäten zu untersuchen. Eine dynamische hohe Schlagzähigkeit-Bewegung vertreten durch Drop-Landungen aus unterschiedlichen Höhen wurde ausgewählt, um die Methode zu testen.

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Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Experiment wurde unter der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Vor der Datenerhebung das Thema überprüft und unterzeichnet die Einverständniserklärung vor der Teilnahme an der Studie von der Universität Institutional Review Board genehmigt.

1. CT-Bildgebung-Protokoll

  1. Holen Sie die Teilnehmer in eine Einrichtung wo ein CT-Scanners untergebracht. Vor der CT-Scan konfigurieren das CT-Gerät mit den folgenden Parametern: CT Scheibendicke von 0,625 mm, CT Sichtfeld von 15 cm x 15 cm, und Auto-Einstellung für die Parameter der Kilo-Spitzenspannung (kVp) und Milliampere-Sekunden (mAs) mit Computer-Algorithmus.
  2. Bitten Sie die Teilnehmer auf einem Tisch liegen, die zu einem Ring in der CT-Scanner Folien. Bitten Sie die Teilnehmer während der CT-Scan sehr still zu bleiben. Scannen Sie jedes Bein getrennt von der Kalkaneus durch das distale Ende des Oberschenkelknochens.
  3. Exportieren Sie nach Abschluss der CT-Scan die CT-Bilder in der digitalen Bildbearbeitung und Kommunikation in der Medizin (DICOM) Format. Wählen Sie eine Bildgröße von 512 x 512 Pixel (Graustufen).
    Hinweis: Die CT Image Protokoll dauert in der Regel weniger als 1 h. Die Strahlendosis ist minimal. Es stellt kein größeres Risiko als die normalen medizinischen Röntgen aufgetreten.

(2) anthropometrischen Messprotokoll

  1. Während des Besuchs Labor vor der Motion-Capture Messen des Teilnehmers Körpermasse (kg), Körpergröße (mm), Abstand zwischen der anterior-Superior Beckenkamm Stacheln (ASISs) (mm), Beinlänge (mm) Knie Fugenbreite (mm) und Knöchel Fugenbreite (mm).
  2. ASIS Abstandsmessung Inter: eine Zange verwenden, um der lineare Abstand zwischen dem linken ASIS und richtige ASIS messen.
  3. Bein Längenmessung: Verwenden Sie einer Band von Maßnahme zu Maßnahme der lineare Abstand die ASIS und medialen Malleolus für beide Beine.
  4. Knie-Fugenbreite Messung: eine Zange verwenden, um die Luftlinie zwischen den lateralen und medialen Epicondyles des Oberschenkelknochens für beide Knie messen.
  5. Knöchel Fugenbreite Messung: eine Zange verwenden, um die Luftlinie zwischen den lateralen und medialen Malleoli für beide Beine messen.
    Hinweis: Der Inter ASIS Abstand, Länge, Knie- und Sprunggelenk Breite Bein werden verwendet, um ein Thema-Modell in einer Biomechanik-Software zu erstellen (siehe Tabelle der Materialien) für kinematische und kinetische Berechnungen.

(3) Motion Capture-Protokoll

Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für alle Software und Werkzeuge verwendet.

  1. Platzierung von reflektierenden Markierungen
    1. Auflegen 14 mm reflektierende Markierungen des Teilnehmers an die folgenden anatomischen knöchernen Landmarken: Acromion Prozesse, Sternoklavikulargelenk Gelenke, Basis des Brustbeins, posterior Prozess der 10th Brustwirbel, ASISs, Posterior-Superior Beckenkamm Stacheln (PSISs), 1,5 cm über den seitlichen Knie Bindenähte, 1,5 cm oberhalb der medialen Knie Bindenähte seitlichen Malleoli, mediale Malleoli hinteren Fersen, Grundlagen der zweiten Mittelfußknochen und Grundlagen der fünfte Mittelfußknochen.
    2. Platzieren Sie halbstarre Kunststoffplatten mit 4-Marker-Clustern an Oberschenkeln und Schäfte, beziehungsweise.
      Hinweis: Für ein besseres Motion Capture Ergebnis, wird der Teilnehmer empfohlen, barfuß und tragen hautenge Kleidung. Darüber hinaus folgt das Marker-Platzierung-Verfahren eine modifizierte "Plug-in-Gang" Protokoll-21. Insgesamt 39 reflektierenden Markierungen dienen für die Motion-Capture und 34 davon sind an der unteren Körperhälfte.
  2. Weisen Sie die Teilnehmer zum Aufwärmen auf ein motorisiertes Laufband mit einer selbst gewählten Geschwindigkeit für 5 min zu Fuss.
  3. Kalibrierung der Raum Platz für Motion-Capture-Verfahren
    1. Schalten Sie die Motion-Capture-System (12 High-Speed-Infrarot-Kameras) und zwei Kraftmessplatten. Öffnen Sie ein Motion-Capture-Software-Programm. Innerhalb der Programmfenster öffnen Sie Bereich "Ressourcen". Klicken Sie auf die Registerkarte "System" Konfigurieren der Kamera Frequenz 200 Hz und Kraft Platte Frequenz bei 2.000 Hz.
    2. Innerhalb der Programmfenster öffnen Sie Bereich "Tools". Klicken Sie auf "Systemvorbereitung". Klicken Sie auf "Kalibrieren Kameras". Klicken Sie auf "Start". Fragen Sie ein wissenschaftlicher Mitarbeiter, Welle einen 5-Marker Standardkalibrierung Zauberstab um eine dynamische Kalibrierung in den Raum wo die Drop-Landung Bewegungen durchgeführt werden sollen. Klicken Sie auf "Stop" nach 5 s Zauberstab Daten erworben wurden.
    3. Legen Sie die Kalibrierung Zauberstab flach auf den Boden an einer Ecke eine kraftplatte zum Zweck der Angabe einer Referenzposition (Ursprung) für den kalibrierten Raum ausgerichtet. Klicken Sie auf "Set Volume Ursprung" im Bereich "Systemvorbereitung" Werkzeuge.
  4. Teilnehmer Vorbereitung in Motion-Capture-Software-Programm
    1. Innerhalb der Programmfenster öffnen Sie Bereich "Ressourcen". Klicken Sie auf die Registerkarte "Betreff" "klicken Sie auf die Schaltfläche"Erstellen ein neues Thema aus einer Beschriftung Skelett". Wählen Sie eine Beschriftung Vorlage aus einer Liste von Template-Dateien zur Verfügung gestellt.
    2. Geben Sie im Fenster "Eigenschaften" des Thema Namen und Werte der Körpermasse (kg), Körpergröße (mm), inter-ASIS Abstand (mm), linke und Rechte Beinlänge (mm), linke und Rechte Knie Breite (mm) und Linker und rechter Knöchel Breite (mm). Im Bereich "Thema Ressourcen" mit der rechten Maustaste des Antragstellernamen und klicken Sie auf "Speichern Thema".
  5. Aufzeichnen einer statischen Körper Kalibrierung pose
    1. Bitten Sie die Teilnehmer, stehen regungslos mitten im kalibrierten Raum mit Füße schulterbreit auseinander, während die oberen Extremitäten seitlich verlängert, so dass alle reflektierende Markierungen auf den Körper gut Kameras ausgesetzt sind.
    2. Öffnen Sie in das Programmfenster den Bereich "Tools". Klicken Sie auf die Registerkarte "Thema Vorbereitung". Thema zu erfassen klicken Sie im Bereich "Start" Datensatz einer 3-s-Bewegung Studie die statische Kalibrierung Prozeß sein.
  6. Verfahren zur Bestimmung der funktionellen gemeinsamer Kompetenzzentren
    1. Funktionale Hüftgelenk Zentrum
      1. Bitten Sie die Teilnehmer, mit einem Bein zu stehen, und ziehen Sie das andere Bein leicht nach vorne vollständig. Weisen Sie die Teilnehmer, das längere Bein um das Hüftgelenk in der folgenden Reihenfolge zu bewegen: anterior zu bewegen und wieder auf neutral, vorderen seitlich bewegen und zurück auf neutral, seitlich bewegen und zurück auf neutral, Posterior-seitlich bewegen und Neutral, nach hinten zu bewegen und wieder auf Neutral und ein kreisförmiges Bewegung.
      2. Öffnen Sie im Hauptfenster Bereich "Tools" zu, klicken Sie auf "Capture". Abschnitt "erfassen" klicken Sie auf "Start", um eine Bewegung Studie für jede funktionale Hip-Hop Bewegung aufnehmen.
    2. Funktionelle Knie gemeinsamen Zentrum
      1. Bitten Sie die Teilnehmer stehen mit einem Bein und einen 30° hip hyper-Erweiterung des anderen Beines zu erhalten. Weisen Sie die Teilnehmer eine 45° Knie Flexion mit dem nicht-Belastung Bein für 5 Mal durchführen.
      2. Klicken Sie im Abschnitt "Capture" des Bereichs "Extras" auf "Start", um eine Bewegung Studie für jede funktionale Knie Bewegung aufnehmen.
        Hinweis: Einzelheiten der gemeinsamen Funktionsablauf entnehmen Sie bitte Schwarz, Et al. 22
  7. Motion-Capture von Drop-Landung Bewegungen
    1. Zufällige Reihenfolge der Verwendung von drei verschiedenen Drop-Landung-Höhen (26 cm, 39 cm und 52 cm)14.
    2. Stelle die Höhe angepasst Holz-Box mit einer oberen Fläche von 50 x 50 cm2 auf dem Boden, bedeckt durch eine Gummimatte. Die Holzbox ist 11 cm vom Rand der Kraftmessplatten. Bitten Sie die Teilnehmer auf der Box-Oberfläche stehen.
    3. Weisen Sie die Teilnehmer und verlängern Sie ihren dominanten Fuß direkt vor der Box und ihr Gewicht nach vorne verlagern, steigen Sie aus dem Feld. Bitten Sie die Teilnehmer, mit jedem Fuß auf einem separaten kraftplatte gleichzeitig mit beiden Beinen auf dem Boden landen.
    4. Bitten Sie die Teilnehmer, stehen zu bleiben, bis die Bewegungserfassung der klinischen Prüfung abgeschlossen ist. Wiederholen Sie die Motion-Capture dreimal drei Bewegung Studien für jede Höhe zu sammeln.
  8. Motion Capture Datenverarbeitung
    1. Öffnen Sie ein Motion-Capture-Software-Programm. Gehen Sie im Hauptfenster des Programms zum Bereich "Kommunikation". Klicken Sie auf die "Datenverwaltung" Registerkarte "wählen Sie eine der aufgezeichneten Bewegung Studien und öffnen Sie sie in das Programm.
    2. Klicken Sie im Bereich "Extras" auf "Pipeline". Wählen Sie aus der Liste "Aktuelle Pipeline" Pipeline "Rekonstruieren". Klicken Sie auf die Schaltfläche "Ausführen", um mit dem Wiederaufbau beginnen um 3 Dimension (3D) Bahnen der reflektierenden Markierungen zu erhalten.
    3. Klicken Sie im Bereich "Tools" auf die Registerkarte "Label/bearbeiten". Wählen Sie im Abschnitt "Manuelle Kennzeichnung" einzelne Markierungsnamen und beschriften Sie die entsprechenden 3D Flugbahnen. Klicken Sie auf "Speichern" Button auf der Symbolleiste beim Beschriften von abgeschlossen ist.
    4. Klicken Sie im Bereich "Extras" auf "Pipeline". Wählen Sie im Abschnitt "Verfügbaren Vorgänge" "Datei exportieren". Doppelklicken Sie auf "Export C3D Pipeline". Klicken Sie auf die Schaltfläche "Ausführen", um die verarbeiteten Bewegung Studie exportieren in eine Datei in einem drei-Dimension (C3D) Koordinatenformat.
  9. Biomechanische Analyse der Motion-Capture-Daten
    1. Öffnen Sie ein Biomechanik-Software-Programm zur Weiterverarbeitung der Motion-Capture-Daten. Klicken Sie aus dem oberen Menü auf "Datei" und klicken Sie auf die Schaltfläche "Öffnen/hinzufügen". Wählen Sie die raw C3D-Dateien in der Biomechanik-Software-Programm importieren.
    2. Klicken Sie aus dem oberen Menü auf "Modell". Klicken Sie auf "erstellen (statische Kalibrierung Datei hinzufügen)". Wählen Sie das Untermenü "Hybrid-Modell von C3DFile". Wählen Sie und öffnen Sie die statische Kalibrierung C3D-Datei.
    3. Klicken Sie aus dem oberen Menü auf "Modell". Klicken Sie aus der Dropdown-Liste "Modellvorlage anwenden". Wählen und Öffnen einer Modell-Vorlage-Datei. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf "Models". Klicken Sie auf die Registerkarte "Thema Daten / Metriken". Im "Betreff" Datenfenster ändern Sie die Werte der "Masse" und "Höhe" um das Modell fachspezifische.
    4. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf "Models". Klicken Sie auf "Model Builder Advanced Post-Processing" von der oberen Menüleiste. Klicken Sie im Popup-Fenster von der "Model Builder Advanced Post-Processing" die "Funktionale Verbindungen" Registerkarte "wählen Sie"hinzufügen Motion Datei vom Arbeitsbereich".
    5. Die funktionale gemeinsamen Zentrum C3D-Dateien auswählen. Markieren Sie eine importierte funktionale gemeinsame Datei. Markieren Sie eine funktionelle Verbindung passende Datei. Verwenden Sie "Set starten Frame zu aktuellen Frame" und "Set Ende Frame zu aktuellen Frame", um die angemessene Teile der Bewegung Studien auszuwählen. Klicken Sie auf "Berechnen überprüft Orte". Wiederholen Sie diesen Vorgang, um weitere funktionalen gemeinsame Zentren um das Rahmenmodell zu verfeinern zu berechnen.
    6. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Modell" in der oberen Menüleiste. Wählen Sie "Modell Bewegungsdateien zuweisen". Gelten Sie im Pop-up-Fenster die "weisen Modelle zu Bewegungsdaten" die fachspezifischen Rahmenmodell für alle Bewegung Studien.
    7. Klicken Sie auf "Pipeline", von der Tool-Leiste. Klicken Sie im Pop-up-Fenster des Workshops"Pipeline" auf "Offene Pipeline". Wählen Sie "Filter Ziele Pipeline". Klicken Sie auf "Ausführen Pipeline", um ein vierter Ordnung Butterworth Tiefpassfilter mit cutoff-Frequenz von 10 Hz auf 3D Motion Capture Studien durchzuführen.
    8. Klicken Sie auf "Pipeline", von der Tool-Leiste. Klicken Sie im Pop-up-Fenster des Workshops"Pipeline" auf "Offene Pipeline". Wählen Sie "Filter Kräfte Pipeline". Klicken Sie auf "Ausführen Pipeline", um ein vierter Ordnung Butterworth Tiefpassfilter mit cutoff-Frequenz von 60 Hz auf Bodenreaktionskräfte Motion Capture Studien durchzuführen.
    9. Klicken Sie auf "Einstellungen", von der oberen Menüleiste. Setzen Sie Häkchen neben "Verwendung verarbeitet Analoga für Boden Reaktion Kraft Berechnungen" und "Verarbeitet Ziele für Modell/Segment/LinkModelBased Verwendungszweck".
    10. Klicken Sie auf "Pipeline", von der Tool-Leiste. Klicken Sie im Pop-up-Fenster des Workshops"Pipeline" auf "Offene Pipeline". Wählen Sie die "Basis MODELLRECHNUNG" Rohrleitung. Klicken Sie auf "Ausführen Pipeline", um die Berechnungen der Unterkörper-gemeinsame Kinematik und Kinetik.
    11. Klicken Sie auf "Pipeline", von der Tool-Leiste. Klicken Sie im Pop-up-Fenster des Workshops"Pipeline" auf "Offene Pipeline". Wählen Sie "Exportieren C3D Koordinaten" Pipeline. Klicken Sie auf "Ausführen Pipeline", um die verarbeiteten 3D-Koordinaten der Unterkörper-visuelle Markierungen in einer C3D-Datei zu exportieren.
    12. Klicken Sie auf "Pipeline", von der Tool-Leiste. Klicken Sie im Pop-up-Fenster des Workshops"Pipeline" auf "Offene Pipeline". Wählen Sie "Exportieren Bodenreaktionskräfte" Pipeline. Klicken Sie auf die "Pipeline ausführen"-Schaltfläche, um die verarbeiteten 3D Boden Reaktion exportieren in einer binären Datei Kräfte (Dateiendung: MAT).
      Hinweis: Um die hohe Schlagzähigkeit Gipfel während Landungen zu erhalten, dient eine cutoff-Frequenz von 60 Hz die rohen Boden Reaktion geltenden Daten23filtern.
  10. Vorbereitung von Motion-Capture-Daten für Computer-Simulationen
    1. Öffnen Sie einen Computer-Software Programmierung. Importieren Sie die gefilterte C3D-Datendatei und der MAT-Datei.
    2. Exportieren Sie eine Textdatei mit gemeinsamen Unterkörper-Zentrum koordiniert. C3D-Datendatei und die Matte Daten in Text-Dateien zu konvertieren (Dateiendung: Slf) für den Einsatz von einem Mehrkörper dynamische Simulationsprogramm.

4. Thema spezifische Modellierung Verfahren

  1. Unterkörper-Rahmenmodell erstellen
    1. Öffnen Sie das Gesamtfahrzeug, die dynamische Simulation Software-Programm mit dem menschlichen Körper modellieren-Plug-in installiert. Während dieses Prozesses wird der menschliche Körper modellieren Plug-in-Modul automatisch geöffnet. Innerhalb der Splash-Screen Doppelklicken Sie auf "Neues Modell" um die Modellbau-Systemsteuerung zu öffnen.
    2. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels "Anthropometrische Datenbank-Bibliothek", wählen Sie im Abschnitt allgemeinen Körper (GeBOD) aus der Dropdown-Liste. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels geben Körpermasse (kg), Körpergröße (mm), Geschlecht und Alter (Monaten).
    3. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels im "Körper" Konfigurationsabschnitt klicken Sie auf das Optionsfeld "Unterleib". Wählen Sie aus der Dropdown-Liste "Einheiten" "Millimeter-Kilo-Newton". Innerhalb der wichtigsten Modellierung Panel klicken Sie auf die Schaltfläche "Übernehmen" im Abschnitt "Create Körper Messung Table", die Körpermaße zu akzeptieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Übernehmen" im Abschnitt "Erstellen der Segmente" erstelle ich ein Unterkörper-Skelett Basismodell weiter.
      Hinweis: Dieses Modell wird skaliert, basierend auf der individuellen Höhe, Masse, Alter und Geschlecht. Das Modell besteht aus sieben Segmenten: ein Becken, zwei Schenkel, zwei Ableger und zwei Füße (Abbildung 1). Alle Segmente werden als starre Körper modelliert.
  2. Modellierung der Unterkörper-Gelenke
    1. Wählen Sie innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels aus dem Hauptmenü Dropdown-Liste "Gelenke", das gemeinsamen Konfigurations-Panel zu öffnen.
    2. Innerhalb der gemeinsamen Konfigurations-Panel, im Abschnitt "Gemeinsame ROTATION Elemente" klicken Sie neben "Bereiten Modell mit Aufnahme Gelenke". Im Abschnitt "Dämpfer und gemeinsame Grenzen Federeigenschaften" geben Sie die folgenden Parameter: Nominal Gelenksteife 1° Nmm, nominale gemeinsame Dämpfung von 0,1 Nmm∙s / °, stoppen Gelenksteife des 3.38E7 Nmm / °. Weiter zu "Links" und "Rechten Bein" wählen Sie durch die Radio-Buttons neben den Namen zu überprüfen. Klicken Sie auf "Anwenden", um die gemeinsamen Konfigurationen zu akzeptieren.
    3. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels aus der Dropdown-Liste im Hauptmenü, wählen Sie "Workflow". Wählen Sie aus der Dropdown-Liste des Untermenüs "Gang" und "Kalibrieren". Geben Sie im Abschnitt "Gemeinsame Center-Daten" des Teilnehmers Unterkörper-gemeinsame Mitte Datei.
    4. Klicken Sie auf "Load", um die Daten zu ändern, die Standorte der gemeinsame Kompetenzzentren zu importieren. Geben Sie im Abschnitt "Statische Last Trial" statische Kalibrierung Motion Capture Prozess (Generation in beschriebenen Schritte in Slf-Datei-Format, 3,8-3.10). Klicken Sie auf "Load", um die Datei, um den Unterkörper-Rahmenmodell parametrieren zu importieren.
      Hinweis: Standardmäßig die Hüftgelenke sind so konfiguriert, als sphärische Gelenke mit drei Freiheitsgraden, Kniegelenke sind so konfiguriert, wie drehbar Fugen mit einem Freiheitsgrad und Sprunggelenke sind so konfiguriert, wie Kreuzgelenke mit zwei Freiheitsgraden.
  3. Modellierung von Skelettmuskeln
    1. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels aus der Dropdown-Liste im Hauptmenü, wählen Sie "Weichteile". Wählen Sie aus der Dropdown-Liste des Untermenüs "Create Base Set Gewebe". Klicken Sie im Abschnitt "Muskel KONTRAKTILE Elemente" "Bereiten mit Aufnahme Muskel Modellelemente".
    2. Klicken Sie im Bereich "Globale Aufnahme Muskel ELEMENTEIGENSCHAFTEN" das Optionsfeld des "Aktualisiert 45 Muskel-Sets".
    3. Im Abschnitt "GLOBAL RECORDING Muskel ELEMENTEIGENSCHAFTEN" akzeptieren die folgenden Standardeinstellungen für Muskel-Eigenschaften: Passive Steifigkeit des 0.4448 N/mm, Passive Dämpfung von 1,75 e-2 Ns/mm, Muskel ruhenden Belastung von 0.4448 N. Check die Radio-Buttons "Linken Bein" und "Rechtes Bein" für Muskel-Zuordnungen. Klicken Sie auf "Anwenden", um die Konfigurationen zu akzeptieren.
      Hinweis: Die 45 Beinmuskulatur-Set enthält die folgenden Muskeln: Adductor Brevis, Adductor Longus, Adductor Magnus (drei Gruppen), Biceps Femoris langen Kopf, Biceps Femoris kurzer Kopf, Beinstrecker M.digitorum, Beinstrecker Hallucis, Flexor M.digitorum, Flexor Hallucis Gastrocnemius, Gemellus, Gluteus Maximus (drei Gruppen), Gluteus Medias (drei Gruppen), Gluteus Minimis (drei Gruppen), Gracilis, Kniesehne, Iliacus, seitliche Gastrocnemius, mediale Gastrocnemius, Kammmuskel, Peroneus Brevis, Peroneus Longus, peronaeus Tertius, Piriformis, Psoas, Quadriceps Femoris, Rectus Femoris, Sartorius, Semimembranosus, Semitendinosus, Soleus, Tensor Faszien Latae, m. Tibialis Anterior, m. Tibialis Posterior, Vastus Intermedius, Vastus Lateralis, Vastus Medialis.

5. Multi-Body Dynamik-Simulationen

  1. Inverse Kinematik Simulation durchgeführt
    1. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels aus der Dropdown-Liste im Hauptmenü, wählen Sie "Workflow". Wählen Sie aus der Dropdown-Liste des Untermenüs "Gang" und "Trial". Geben Sie im Abschnitt "Dynamische Studiendaten" den Dateinamen der freiung dynamischer Bewegung erfassen (in Slf-Datei-Format), und klicken Sie auf "Laden", um die Daten zu importieren. Weiterhin die entsprechende Reaktion Bodentruppe eingeben Daten Datei (im Slf-Datei-Format), und klicken Sie auf "Laden", um die Daten zu importieren.
    2. Innerhalb des Haupt-Modellierung-Panels aus der Dropdown-Liste im Hauptmenü, wählen Sie "_Analyze". Führen Sie die Neuaufbau Analyse Modell Haltung die Haltung am Anfang des dynamischen Prozesses entsprechend anpassen.
    3. Öffnen Sie die Simulation. Deaktivieren Sie die Effekte von Schwerkraft und Boden Reaktionskräfte. Wählen Sie die ganze Bewegung Testversion als die Länge der Simulation.
    4. Geben Sie einen Zeitschritt der Simulation von 100 Schritte/s laufen eine inverse kinematische Simulation angetrieben durch die Motion-Capture-Daten. Die inverse Kinematik Simulationsanalyse zu retten.
  2. Erstellen einen Motion-Tracker-agent
    1. Öffnen Sie den Motion Tracker Agent erstellen. Übernehmen Sie den Standardnamen Tracker: MA_Track.
    2. Legen Sie die translationale Steifigkeit und Rotations Steifigkeit als 10 N/mm und 1.000 Nmm / °, jeweils. Legen Sie die translationale Dämpfung "und" Rotations Dämpfung als 10 Ns/mm und 1.000 NMM / °, beziehungsweise. Legen Sie alle translatorische und rotatorische Freiheitsgrade als angetrieben.
    3. Roman Da nur der Unterkörper-Modell für die vorderen dynamische Simulation verwendet wird, muss ein Motion-Tracker Konto für die Instabilität aufgrund mangelnder Bewegung Oberkörpers.
  3. Training der Beinmuskulatur
    1. Öffnen Sie die Weichteile Konfigurations-Panel. Wählen Sie Closed-Loop-einfach für das Muskelmodell. Legen Sie die folgenden Parameter für das Muskelmodell: Proportional einen Gewinn von 1.0E6, Integral einen Gewinn von 1.0E6 und Ableitung von 1.0E4 zu gewinnen.
    2. Wählen Sie die inverse Kinematik Simulationsanalyse das Ziel des Muskel-Trainings sein. Wenden Sie das Muskeltraining.
  4. Importieren einer flexiblen tibia
    1. Öffnen Sie den flexiblen Körper Import-Bereich. Führen Sie die Ausrichtung Mapping mit drei bekannten Herstellern und ihren zugehörigen Knoten auf der Oberfläche der flexiblen Tibia.
    2. Wählen Sie die starre Tibia durch flexible Tibia ersetzt werden. Wählen Sie die MNF-Datei, die die flexible Tibia. Wählen Sie die Muskel Befestigung Zuordnungsdatei für Wiederanbringen Beinmuskulatur an der flexiblen Tibia. Importieren Sie die flexible Tibia am Muskel-Skelett-Modell.
  5. Durchführung nach vorne dynamische Simulation mit der flexiblen Tibia in Ort
    1. Öffnen Sie die Simulation. Die Auswirkungen der Schwerkraft und Boden-Reaktionskräfte zu ermöglichen. Deaktivieren Sie die Effekte von Bewegung Agenten.
    2. Wählen Sie die Simulation für die Dauer der gesamten Bewegung Studie durchführen. Setzen Sie Simulation Zeitschritt von 100 Schritte/s Run eine nach vorne dynamische Simulation von trainierte Muskeln angetrieben. Speichern Sie die vorwärts dynamische Analyse.

6. Erstellen eines flexiblen Tibia-Modells

  1. Erstellen eines 3D Flächennetz-Modells
    1. Öffnen Sie ein Bildbearbeitungsprogramm. Import-CT Scheiben im DICOM-Format. Erstellen Sie eine Maske mit der Region wachsenden Methode um die umliegenden Weichteile Knochengewebe trennen.
    2. Suche nach CT Scheiben wo Tibia und Fibula verbunden sind. Tibia und Fibula durch Löschen der Maske entlang der Verbindung der beiden Knochen zu trennen.
    3. Erstellen Sie eine zweite Maske mit der Region wächst Methode, nur den Schienbein Knochen aufzunehmen. Gehen Sie durch die CT-Scheiben, Hohlräume in der Tibia-Maske bestehenden aufzudecken. Füllen Sie die Hohlräume in der Maske. Erstellen Sie ein 3D Tibia-Objekt anhand der Tibia-Maske. Das 3D Tibia-Objekt als Datei im drawing Interchange Format (DXF) exportieren.
  2. Erstellen eines finite-Elemente-Tibia-Modells
    1. Eine FE-Analyse-Software-Programm zu öffnen. Importieren Sie die 3D Tibia-Modell-Datei mit der Endung DXF.
    2. Führen Sie den Befehl Sweep, duplizierte Elemente und Knoten zu entfernen. Führen Sie den Volume Mesh Befehl FE Tibia mit sechseckigen Elemente von 3 mm x 3 mm x 3 mm. weisen die folgenden Materialeigenschaften für alle Elemente erstellen Sie ein Modell: Elastizitätsmodul von 17 GPa, Poisson Verhältnis von 0,3 und Dichte des 1.9E-6 Kg/cm3.
      Hinweis: Materialeigenschaften zugewiesen auf jedes Element in der Annahme, dass Knochengewebe innerhalb der Bereiche der Belastung von Knochen bei dynamischen Bewegungen24,25,26erlebt isotrop ist.
  3. Erstellung eines flexiblen Tibia-Modells
    1. Innerhalb der Haupt-Control Panel klicken Sie auf die "Geometrie & Mesh" Registerkarte und wählen Sie "Geometrie & Mesh". Im "Geometrie & Mesh" Pop-up-Fenster, im Abschnitt "Mesh" klicken Sie "Knoten" erstelle ich zwei neue Knoten um die Zentren der Knie und Knöchel Gelenke darstellen.
    2. Das Haupt-Control Panel klicken Sie auf die Registerkarte "Verbindungen" wählen Sie RBE2. Erstellen Sie im Popup-Fenster des RBE2 Link Verbindungen von Typ 2 starre Body-Element (RBE2) zwischen den gemeinsamen Knoten und Flächenknoten auf die Knie und Knöchel Oberflächen.
    3. Das Haupt-Control Panel klicken Sie auf Registerkarte "Randbedingungen". Klicken Sie im Abschnitt "Randbedingungen" auf die Schaltfläche "Neu". Wählen Sie "DOF_Set-Knoten". Erstellen Sie im Pop-up-Fenster "Randbedingung Eigenschaften" eine Randbedingung durch Zuordnung von sechs Freiheitsgrade zu jedem der beiden RBE2 gemeinsame Knoten.
    4. Das Haupt-Control Panel klicken Sie auf Registerkarte "Belastungsfälle". Klicken Sie im Abschnitt "Belastungsfälle" auf "Neu", wählen Sie "Adams Craig-Bampton"19. Klicken Sie im Popup-Fenster "Lastfall Eigenschaften" "DOF-Set-Knoten". Wählen Sie die Dofset_nodes in den oben genannten Schritt erstellt.
    5. Das Haupt-Control Panel klicken Sie auf das Register "Stellenmarkt". Klicken Sie im Bereich "Jobs" auf "Neu". Wählen Sie "Struktur". Wählen Sie im Popup-Fenster "Auftragseigenschaften" den Lastfall in der vorherigen Schritt erstellt. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Job-Ergebnisse". Wählen Sie im Popup-Fenster "Ergebnisse" "Stress" und "Belastung". Wählen Sie auch "Kilogramm" Masse, "Newton" Kraft, "Millimeter" für Länge und "Zweite" für Zeit. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Ausführen".
    6. "Auftrag ausgeführt" Popup-Fenster klicken Sie auf den Button "Absenden" übermitteln Sie den Auftrag für eine FE-Simulation und die modale neutrale Datei (MNF) der Tibia16zu schaffen.

7. Daten Belastungsanalysen

  1. Knochen-Stamm-Daten exportieren
    1. Öffnen Sie den Postprozessor des Simulationsprogramms Mehrkörper. Laden Sie das Plug-in-Haltbarkeit-Programm.
    2. Öffnen Sie die Simulation mit der flexiblen Tibia durch Klicken auf den Namen der Simulation. Exportieren Sie die maximalen und minimalen hauptdehnungen und maximale Scherung Belastung der Knoten repräsentieren die Antero-medialen Aspekt der Mitte tibiale Diaphyse.
  2. Verarbeitung von rohen Stamm Daten
    1. Öffnen Sie einen Computer-Programmierung von Software für die Datenverarbeitung. Importieren Sie rohen Stamm-Daten. Die raw-Daten mit einer Grenzfrequenz von 15 Hz eine vierte Bestellung Butterworth Tiefpassfilter zuweisen.

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Ergebnisse

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Ein gesundes kaukasischen Männchen (19 Jahre, Höhe 1.800 mm, Gewicht 80 kg) meldete sich freiwillig für die Studie. Vor der Datenerhebung das Thema überprüft und unterzeichnet die Einverständniserklärung vor der Teilnahme an der Studie von der Universität Institutional Review Board genehmigt. Das Experiment wurde unter der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Der Versuch wurde basierend auf das folgende Protokoll durchgeführt.

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Diskussion

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Der Zweck dieser Studie war es, eine nicht-invasive Methode zum Bestimmen der Tibia Verformung bei hohen Impact-Aktivitäten zu entwickeln. Quantifizierung der Tibia Belastung durch Stoßbelastung führt zu einem besseren Verständnis der Stressfraktur der Tibia. In dieser Studie wurde ein fachspezifisches Muskel-Skelett-Modell entwickelt und Computersimulationen wurde durchgeführt, um die Bewegungen, Drop-Landung in einer Laborumgebung zu duplizieren. Die Wirkung der Tropfen-Podesthöhe auf tibiale Stamm wurde untersucht. Be...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

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Abteilung von der Armee #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE gewähren.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
CT-ScannerGE Medical SystemN/ALichtgeschwindigkeit VCT. Zur Durchführung von Tibia-CT-Scans.
Motion Capture SystemVicon IncN/AVicon FX40 Hochgeschwindigkeitskameras. Zur Durchführung von 3D-Bewegungserfassung.
KraftmessplattenAMTI IncN/ASammeln von 3D-Bodenreaktionskräften
Vicon NexusVicon IncN/AMotion-Capture-Softwareprogramm. Zur Verarbeitung von visuellen Marker-Trajektoriendaten.
Visual 3DC-Motion IncN/ABiomechanik-Analysesoftware. Zur Berechnung der 3D-Kinematik und Kinetik menschlicher Bewegungen.
MATLABMathworks IncN/AComputerprogrammiersoftware. Zum Durchsuchen von Rohdatenfilterung, Datenkonvertierung und Datenverarbeitung.
ADAMS 2012MSC Software IncN/ADynamisches Mehrkörper-Computersimulationsprogramm.
LifeMODLifemodeler IncN/AEin Software-Plug-in in ADAMS. Für den Aufbau von Muskel-Skelett-Modellen des menschlichen Körpers.
MIMICS 13Materialise IncN/ABildverarbeitungsprogramm. Ein 3D-Modellierungstool zur Verarbeitung von Bilddaten. Zur Erstellung eines 3D-Tibiamodells aus CT-Scans.
MARC 2012MSC Software IncN/ASoftware für die Finite-Elemente-Analyse. Zum Durchführen der Volumenvernetzung, zum Generieren eines Tibia-FE-Modells und zum Ausführen einer modalen FE-Analyse.
SPSS 19IBM IncN/ASoftware für statistische Analysen.

Referenzen

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KnochenbelastungsanalyseFinite Elemente TibiomodellMotion CaptureDrop Landing SimulationMehrk rpersimulationQuantifizierung der TibiabelastungNicht invasive KnochendeformationBodenreaktionskr fteBiomedizinische Technik

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