Name: Fachspezifische Muskel-Skelett-Modell für die Untersuchung von Knochen Belastung während der dynamischen Bewegung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie ein fachspezifisches Muskel-Skelett-Modell mit finiter Elemente-Analyse erstellen, um Knochendeformationen bei dynamischen Bewegungen nicht-invasiv zu quantifizieren.

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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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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>CT-Scanner</td><td>GE Medical System</td><td>N/A</td><td>Lichtgeschwindigkeit VCT. Zur Durchführung von Tibia-CT-Scans.</td></tr><tr><td>Motion Capture System</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Vicon FX40 Hochgeschwindigkeitskameras. Zur Durchführung von 3D-Bewegungserfassung.</td></tr><tr><td>Kraftmessplatten</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>Sammeln von 3D-Bodenreaktionskräften</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Motion-Capture-Softwareprogramm. Zur Verarbeitung von visuellen Marker-Trajektoriendaten.</td></tr><tr><td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>Biomechanik-Analysesoftware. Zur Berechnung der 3D-Kinematik und Kinetik menschlicher Bewegungen.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>N/A</td><td>Computerprogrammiersoftware. Zum Durchsuchen von Rohdatenfilterung, Datenkonvertierung und Datenverarbeitung.</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>Dynamisches Mehrkörper-Computersimulationsprogramm.</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>Ein Software-Plug-in in ADAMS. Für den Aufbau von Muskel-Skelett-Modellen des menschlichen Körpers.</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>Bildverarbeitungsprogramm. Ein 3D-Modellierungstool zur Verarbeitung von Bilddaten. Zur Erstellung eines 3D-Tibiamodells aus CT-Scans.</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>Software für die Finite-Elemente-Analyse. Zum Durchführen der Volumenvernetzung, zum Generieren eines Tibia-FE-Modells und zum Ausführen einer modalen FE-Analyse.</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>Software für statistische Analysen.</td></tr></tbody></table>

fachspezifische muskel-skelett-modell für die untersuchung von knochen belastung während der dynamischen bewegung

Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion

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.

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.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1"...

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.

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

Bone stress injuries are common in sports and military trainings. Repetitive large ground impact forces during training could be the cause. It is ...

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 Extrem

subject-specific-musculoskeletal-model-for-studying-bone-strain

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Die aktuelle Studie schreibt eine gekoppelte Experiment-Finite-Elemente-Simulationsmethodik, um den einachsigen dynamische mechanische Verhalten weicher Biomaterialien (Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.) zu erhalten. Die mehrachsigen Versuchsergebnisse, die entstanden, weil der Proben prall von Split-Hopkinson Pressure Bar Tests erhalten wurden, wurden einem einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsverhalten wiedergegeben, wenn durch iterative Optimierung der Finite-Elemente-Analyse des...

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