Tema-específicas musculoesquelética modelo para estudiar la deformación del hueso durante el movimiento dinámico

El objetivo general de este procedimiento es crear un modelo musculoesquelético específico del sujeto para el análisis de la deformación ósea. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la ingeniería biomédica, como la cuantificación de la deformación ósea humana durante el movimiento dinámico. La principal ventaja de esta técnica es que se implementa un enfoque no invasivo para estudiar la fuerza ósea durante las actividades físicas dinámicas.

Las demostradoras del procedimiento serán Marisa Loo y Kerstyn Hall, estudiantes de posgrado de mi laboratorio. Para comenzar este procedimiento, realice una tomografía computarizada y una medición antropométrica en el sujeto. Después de esto, coloque marcadores reflectantes de 14 mm en el cuerpo de los participantes como se describe en el protocolo de texto.

Coloque placas de plástico semirrígidas con cuatro grupos de marcadores en los muslos y piernas de los participantes. Después de ingresar la información de los sujetos en el programa de captura de movimiento, pídales que permanezcan inmóviles en el centro de la habitación calibrada con los pies separados a la altura de los hombros. Luego pídales que extiendan sus extremidades superiores lateralmente para que todos los marcadores reflectantes estén bien expuestos a las cámaras.

En la ventana principal del programa, abra el panel de herramientas, haga clic en la pestaña de preparación del tema. En la sección de captura de sujeto, haga clic en iniciar para grabar una prueba de movimiento de tres segundos para que sea la prueba de calibración estática. Para comenzar a determinar el centro funcional de la articulación de la cadera, pida al participante que se pare sobre una pierna mientras extiende completamente la otra pierna ligeramente hacia adelante.

Indique al participante que mueva la pierna extendida alrededor de la articulación de la cadera anteriormente y vuelva a la posición neutra. Lateral anterior y retorno a neutro. Y luego lateralmente y volver a punto muerto.

Después de esto, haga que el participante mueva la misma pierna alrededor de la articulación de la cadera posteriormente, lateralmente y regrese a neutral. Posteriormente y volver a punto muerto. Y luego en un movimiento de circunducción.

En la ventana principal del programa, abra el panel de herramientas, haga clic en la pestaña de captura y, a continuación, en la sección de captura, haga clic en iniciar para grabar una prueba de movimiento para cada movimiento de cadera funcional. Para comenzar a determinar el centro funcional de la articulación de la rodilla, pídale al participante que se pare sobre una pierna mientras mantiene una hiperextensión de cadera de 30 grados de la otra pierna. A continuación, indique al participante que realice una flexión de rodilla de 45 grados con la pierna que no soporta peso.

Pídales que repitan esto cinco veces. En la sección de captura del panel de herramientas, haga clic en iniciar para grabar una prueba de movimiento para cada movimiento funcional de la rodilla. Coloque la caja de madera ajustable en altura en un área del piso cubierta por una alfombra de goma, asegurándose de que esté aproximadamente a 11 cm de los bordes de las placas de fuerza.

A continuación, pida al participante que se pare encima de la caja. Indique al participante que extienda su pie dominante directamente frente a la caja, luego pídale que mueva su peso hacia adelante y salga de la caja. Ambas piernas de los participantes deben aterrizar en el suelo al mismo tiempo con cada pie golpeando una placa de fuerza separada, pida al participante que permanezca de pie hasta que se complete la captura de movimiento de la prueba.

Repita la captura de movimiento tres veces para recopilar tres pruebas de movimiento para cada altura. Primero, abra un programa de software de captura de movimiento. En la ventana principal, vaya al panel de comunicaciones, haga clic en la pestaña de administración de datos y seleccione una de las pruebas de movimiento grabadas.

Abra los datos de prueba en el programa. En el panel de herramientas, haga clic en la pestaña canalización. En la lista de tuberías actual, seleccione la tubería de reconstrucción, haga clic en el botón Ejecutar para iniciar el proceso de reconstrucción y obtener trayectorias tridimensionales de los marcadores reflectantes.

Navegue hasta el panel de herramientas y haga clic en la pestaña de edición de etiquetas, en la sección de etiquetado manual, seleccione los nombres de los marcadores individuales y etiquete las trayectorias 3D correspondientes. Una vez finalizado el etiquetado, haga clic en el botón Guardar de la barra de herramientas. Para comenzar a crear un modelo esquelético de la parte inferior del cuerpo, abra el programa de software de simulación dinámica de múltiples cuerpos con el complemento de modelado del cuerpo humano instalado.

En la pantalla de inicio, haga doble clic en el icono de nuevo modelo para abrir el panel de control de construcción de modelos, en la sección de la biblioteca de la base de datos antropométrica del panel de modelado principal, elija el cuerpo genérico de la lista desplegable, especifique la masa corporal, la altura del cuerpo, el sexo y la edad. En la sección de configuración del cuerpo del panel de modelado principal, haga clic en el botón de opción del cuerpo inferior, en la lista desplegable de unidades seleccione mm, kg, Newton; Haga clic en el botón Aplicar en la sección Crear tabla de medidas corporales para aceptar las medidas corporales. Continúe haciendo clic en el botón Aplicar en la sección Crear segmento humano para crear un modelo base esquelético de la parte inferior del cuerpo.

Para comenzar a modelar las articulaciones de la parte inferior del cuerpo, abra la lista desplegable del menú principal en el panel principal de modelado y seleccione articulaciones para abrir el panel de configuración de juntas. En la sección del elemento de rotación de juntas del panel de configuración de uniones, haga clic en el botón siguiente para preparar el modelo con juntas de registro. En la sección de propiedades de los amortiguadores de resorte y los límites de la unión, introduzca los parámetros para la rigidez nominal de la junta, la amortiguación nominal de la junta y la rigidez del tope de la junta, como se muestra aquí.

Continúe seleccionando la pierna izquierda y la pierna derecha marcando los botones de opción correspondientes, haga clic en el botón Aplicar para aceptar las configuraciones de articulación. Después de esto, abra la lista desplegable del menú principal en el panel de modelado principal y seleccione el flujo de trabajo, en la lista desplegable de los submenús, seleccione la marcha y calibre, en la sección de datos del centro de la articulación, ingrese el archivo del centro de la articulación de la parte inferior del cuerpo de los participantes. Luego haga clic en el botón de carga para importar los datos y modificar las ubicaciones de los centros de unión, en la sección de prueba estática de carga, ingrese a la prueba de captura de movimiento de calibración estática.

Haga clic en el botón de carga para importar el archivo y parametrizar el modelo esquelético de la parte inferior del cuerpo. Para comenzar a modelar los músculos esqueléticos, abra el menú desplegable principal en el panel principal de modelado y seleccione tejidos blandos, después de esto abra el menú desplegable del submenú y seleccione crear conjunto de tejido base. En la sección de elementos de mosaico de contracción muscular, haga clic en preparar modelo con elementos musculares de grabación.

A continuación, en la sección de propiedades musculares del elemento de registro global, haga clic en el botón de opción correspondiente al conjunto de 45 músculos actualizado y, a continuación, acepte la configuración predeterminada para las propiedades musculares como se muestra aquí. Verifique los botones de radio para la pierna izquierda y la pierna derecha para las asignaciones musculares, luego haga clic en el botón Aplicar para aceptar las configuraciones. En este estudio, se utiliza un método no invasivo para determinar la deformación de la tibia durante actividades de alto impacto.

La precisión de la simulación dinámica directa se verifica comparando los ángulos de las articulaciones de la parte inferior del cuerpo de la simulación con los ángulos de las articulaciones correspondientes medidos para los datos de captura de movimiento. Estas comparaciones se completan para el ángulo del tobillo, el ángulo de la rodilla y el ángulo de la cadera en las tres alturas de caída, donde las líneas verticales representan momentos de impacto. Como se puede ver, la simulación y los datos experimentales coinciden en gran medida, lo que demuestra que la simulación en sí tiene un alto grado de precisión.

A continuación, se utiliza un software de análisis estadístico para calcular los coeficientes de correlación cruzada entre los ángulos de unión experimentales y de simulación con rezago cero. Se registran las deformaciones máximas en la región antero medial de la diáfisis tibial media mientras el sujeto aterriza desde tres alturas diferentes. La condición de aterrizaje de 52 cm muestra las deformaciones de cizallamiento máximo principal máximo, principal mínimo y pico máximo de cizallamiento.

También se observa que las deformaciones principales máximas máximas aumentan a medida que aumenta la altura de caída. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ingeniería biomédica exploraran los mecanismos de las lesiones por estrés óseo en atletas y aprendices militares.