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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein fachspezifisches muskuloskelettales Modell für die Knochendehnungsanalyse zu erstellen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Biomedizintechnik zu beantworten, wie z. B. die Quantifizierung der menschlichen Knochenverformung während dynamischer Bewegungen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass ein nicht-invasiver Ansatz zur Untersuchung der Knochenstärke bei dynamischen körperlichen Aktivitäten angewendet wird.

Das Verfahren wird von Marisa Loo und Kerstyn Hall, Doktorandinnen meines Labors, vorgeführt. Um dieses Verfahren zu starten, führen Sie CT-Scans und anthropometrische Messungen an dem Probanden durch. Platzieren Sie danach 14 mm reflektierende Marker auf dem Körper der Teilnehmer, wie im Textprotokoll beschrieben.

Legen Sie halbstarre Kunststoffplatten mit vier Markierungsclustern auf die Oberschenkel und Schenkel der Teilnehmer. Nachdem Sie die Informationen der Probanden in das Motion-Capture-Programm eingegeben haben, bitten Sie sie, bewegungslos in der Mitte des kalibrierten Raums zu stehen und die Füße schulterbreit auseinander zu halten. Bitten Sie sie dann, ihre oberen Extremitäten seitlich zu verlängern, damit alle reflektierenden Markierungen gut für die Kameras sichtbar sind.

Öffnen Sie im Hauptfenster des Programms den Werkzeugbereich und klicken Sie auf die Registerkarte Fachvorbereitung. Klicken Sie im Abschnitt "Motivaufnahme" auf "Start", um einen dreisekündigen Bewegungsversuch aufzuzeichnen, der als statischer Kalibrierungsversuch dienen soll. Um mit der Bestimmung des funktionellen Hüftgelenkszentrums zu beginnen, bitten Sie den Teilnehmer, auf einem Bein zu stehen, während Sie das andere Bein vollständig leicht nach vorne strecken.

Weisen Sie den Teilnehmer an, das ausgestreckte Bein nach vorne um das Hüftgelenk zu bewegen und in den Leerlauf zurückzukehren. Anterior lateral und kehren Sie in den Leerlauf zurück. Und dann seitlich und zurück in den Leerlauf.

Lassen Sie den Teilnehmer danach das gleiche Bein um das Hüftgelenk nach hinten seitlich bewegen und kehren Sie in den Leerlauf zurück. Nach hinten und zurück in den Leerlauf. Und dann in einer Zirkumduktionsbewegung.

Öffnen Sie im Hauptfenster des Programms den Werkzeugbereich, klicken Sie auf die Registerkarte "Erfassen" und dann im Abschnitt "Erfassen" auf "Start", um einen Bewegungsversuch für jede funktionelle Hüftbewegung aufzuzeichnen. Um mit der Bestimmung des funktionellen Kniegelenkszentrums zu beginnen, bitten Sie den Teilnehmer, auf einem Bein zu stehen, während er eine 30-Grad-Hüftüberstreckung des anderen Beins beibehält. Weisen Sie den Teilnehmer als Nächstes an, mit dem nicht belastenden Bein eine Kniebeugung um 45 Grad durchzuführen.

Lassen Sie sie dies fünfmal wiederholen. Klicken Sie im Abschnitt "Erfassen" des Werkzeugbereichs auf "Start", um für jede funktionelle Kniebewegung einen Bewegungsversuch aufzuzeichnen. Stellen Sie die höhenverstellbare Holzkiste auf eine Fläche des Bodens, die mit einer Gummimatte bedeckt ist, und achten Sie darauf, dass sie ca. 11 cm von den Rändern der Kraftmessplatten entfernt ist.

Bitten Sie als Nächstes den Teilnehmer, sich auf die Box zu stellen. Weisen Sie den Teilnehmer an, seinen dominanten Fuß direkt vor der Box auszustrecken, lassen Sie ihn dann sein Gewicht nach vorne verlagern und aus der Box treten. Beide Beine der Teilnehmer sollten gleichzeitig auf dem Boden landen, wobei jeder Fuß auf eine separate Kraftplatte trifft, und bitten Sie den Teilnehmer, stehen zu bleiben, bis die Bewegungserfassung des Versuchs abgeschlossen ist.

Wiederholen Sie die Bewegungserfassung dreimal, um drei Bewegungsversuche für jede Höhe zu erfassen. Öffnen Sie zunächst eine Motion-Capture-Software. Wechseln Sie im Hauptfenster zum Kommunikationsbereich, klicken Sie auf die Registerkarte Datenverwaltung und wählen Sie eine der aufgezeichneten Bewegungsversuche aus.

Öffnen Sie die Testdaten im Programm. Klicken Sie im Bereich Tools auf die Registerkarte Pipeline. Wählen Sie in der Liste der aktuellen Rohrleitungen die Rohrleitung rekonstruieren aus, und klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen, um den Rekonstruktionsprozess zu starten und dreidimensionale Trajektorien der reflektierenden Markierungen zu erhalten.

Navigieren Sie zum Werkzeugbereich und klicken Sie auf die Registerkarte Beschriftung bearbeiten. Wählen Sie im Abschnitt "Manuelle Beschriftung" die einzelnen Markierungsnamen aus und beschriften Sie die entsprechenden 3D-Leitkurven. Wenn die Beschriftung abgeschlossen ist, klicken Sie in der Symbolleiste auf die Schaltfläche Speichern. Um mit der Erstellung eines Skelettmodells für den Unterkörper zu beginnen, öffnen Sie das Softwareprogramm für die dynamische Mehrkörpersimulation, auf dem das Plug-In für die Modellierung des menschlichen Körpers installiert ist.

Doppelklicken Sie auf dem Begrüßungsbildschirm auf das Symbol für das neue Modell, um das Bedienfeld für die Modellerstellung zu öffnen. Wählen Sie im Abschnitt Anthropometrische Datenbankbibliothek des Hauptmodellierungsfensters den generischen Körper aus der Dropdown-Liste aus, geben Sie die Körpermasse, die Körpergröße, das Geschlecht und das Alter an. Klicken Sie im Abschnitt "Körperkonfiguration" des Hauptmodellierungsfensters auf das Optionsfeld für den unteren Körper, wählen Sie in der Dropdown-Liste "Einheiten" mm, kg, Newton aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Anwenden im Abschnitt Körpermaßtabelle erstellen, um die Körpermaße zu übernehmen. Klicken Sie weiterhin auf die Schaltfläche "Anwenden" im Abschnitt "Menschliches Segment erstellen", um ein Basismodell für das Skelett des Unterkörpers zu erstellen.

Um mit der Modellierung der unteren Gelenke zu beginnen, öffnen Sie die Dropdown-Liste des Hauptmenüs im Hauptmodellierungsfenster und wählen Sie Gelenke aus, um das Gelenkkonfigurationsfenster zu öffnen. Klicken Sie im Abschnitt Gelenkrotationselement des Gelenkkonfigurationsfensters auf die Schaltfläche neben der Schaltfläche Modell mit Aufzeichnungsgelenken vorbereiten. Geben Sie im Abschnitt Eigenschaften von Federdämpfern und Gelenkgrenzen die Parameter für die nominale Gelenksteifigkeit, die nominale Gelenkdämpfung und die Gelenkanschlagsteifigkeit ein, wie hier gezeigt.

Fahren Sie mit der Auswahl des linken und rechten Beins fort, indem Sie die entsprechenden Optionsfelder aktivieren, und klicken Sie auf die Schaltfläche Anwenden, um die Gelenkkonfigurationen zu übernehmen. Öffnen Sie danach die Dropdown-Liste des Hauptmenüs im Hauptmodellierungsfenster und wählen Sie Workflow, wählen Sie in der Dropdown-Liste der Untermenüs Gang und Kalibrierung aus, geben Sie im Abschnitt Gelenkzentrumsdaten die Datei für das Gelenkzentrum des Teilnehmers ein. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Belastung, um die Daten zu importieren und die Positionen der Gelenkzentren zu ändern. Geben Sie im Abschnitt Statischer Lastversuch den statischen Kalibrierungs-Motion-Capture-Versuch ein.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Laden, um die Datei zu importieren und das Skelettmodell des Unterkörpers zu parametrisieren. Um mit der Modellierung der Skelettmuskulatur zu beginnen, öffnen Sie das Dropdown-Menü im Hauptmodellierungsfenster und wählen Sie Weichgewebe, öffnen Sie danach das Dropdown-Menü des Untermenüs und wählen Sie Basisgewebesatz erstellen. Klicken Sie im Abschnitt Muskelkontraktkachelelement auf Modell mit Aufzeichnung von Muskelelementen vorbereiten.

Klicken Sie anschließend im Abschnitt Muskeleigenschaften des globalen Aufzeichnungselements auf das Optionsfeld für den aktualisierten Muskelsatz von 45 und akzeptieren Sie dann die Standardeinstellungen für Muskeleigenschaften, wie hier gezeigt. Aktivieren Sie die Optionsfelder für das linke Bein und das rechte Bein für Muskelzuweisungen, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Anwenden, um die Konfigurationen zu übernehmen. In dieser Studie wird eine nicht-invasive Methode verwendet, um die Tibiadeformation bei Aktivitäten mit hoher Belastung zu bestimmen.

Die Genauigkeit der vorwärtsdynamischen Simulation wird durch den Vergleich der Gelenkwinkel des Unterkörpers aus der Simulation mit den entsprechenden Gelenkwinkeln überprüft, die für die Motion-Capture-Daten gemessen wurden. Diese Vergleiche werden für den Knöchelwinkel, den Kniewinkel und den Hüftwinkel bei allen drei Fallhöhen durchgeführt, wobei die vertikalen Linien Aufprallmomente darstellen. Wie man sieht, stimmen die Simulations- und experimentellen Daten weitgehend überein, was zeigt, dass die Simulation selbst ein hohes Maß an Genauigkeit aufweist.

Eine statistische Analysesoftware wird dann verwendet, um die Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen den Winkeln der experimentellen und der Simulationsverbindung ohne Verzögerung zu berechnen. Die Spitzendehnungen in der antero medialen Region des mittleren Tibiaschafts werden aufgezeichnet, während der Proband aus drei verschiedenen Höhen landet. Die 52-cm-Podestbedingung zeigt die größten maximalen Hauptdehnungen, die minimale Haupthauptgrenze und die maximalen Scherdehnungen.

Es wird auch beobachtet, dass die maximalen Hauptdehnungen mit zunehmender Fallhöhe zunehmen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Biomedizintechnik, um die Mechanismen von Knochenbelastungsverletzungen bei Sportlern und militärischen Auszubildenden zu erforschen.