Name: Tema-específicas musculoesquelética modelo para estudiar la deformación del hueso durante el movimiento dinámico (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Aprende a crear un modelo musculoesquelético específico para analizar la deformación ósea durante movimientos dinámicos usando escaneo CT y análisis de elementos finitos. Este método no invasivo permite cuantificar la resistencia ósea.

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Departamento del ejército #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Beca de bola estado Universidad 2010 ASPiRE.

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

El propósito de este estudio fue desarrollar un método no invasivo para determinar la deformación de la tibia durante las actividades de alto impacto. Cuantificación de la tensión de la tibia debido a carga de impacto dará lugar a un mejor entendimiento de la fractura de estrés de la tibia. En este estudio, se desarrolló un modelo de aparato locomotor de temas específicos y simulaciones de computadora se ejecutan para duplicar los movimientos de caída de aterrizaje realizados en un entorno de laboratorio. Se examinó el e...

Lesiones de estrés óseas, tales como fracturas de estrés, son las lesiones de sobreuso severo que requieren largos períodos de recuperación y de incurrir en importantes costos médicos1,2. Las fracturas por estrés son comunes tanto en población atlética y militar. Entre todos los deportes relacionados con lesiones, las fracturas por estrés representan 10% del total3. En particular, los atletas de pista enfrentan a una mayor tasa de lesiones en el 20%4. Soldados también experimentan una alta tasa de fracturas de estrés. Por ejemplo, una tasa de 6% lesiones fue divulgada por el ejército de los E.e.u.u.1 y una tasa de 31% de lesiones fue divulgada en el ejército israelí5. Entre todas las fracturas de tensión reportadas, fractura de estrés de la tibia es el más común de7,6,8.
Deportes y entrenamiento físico con un mayor riesgo de fractura de estrés de la tibia están normalmente asociado con altos impactos (por ejemplo, salto, aterrizando y corte). Durante la locomoción, se aplica una fuerza de impacto de la tierra al cuerpo cuando el pie entra en contacto con el suelo. Esta fuerza es disipada por el sistema músculo-esquelético y del calzado. El sistema esquelético sirve como una serie de palancas que permite a los músculos para aplicar fuerzas para absorber el impacto de tierra9. Cuando los músculos de las piernas adecuadamente no pueden reducir el impacto de la tierra, los huesos de la parte inferior del cuerpo deben absorber la fuerza residual. Estructura ósea experimentarán deformación durante este proceso. Puede resultar repetitiva absorción de fuerza de impacto residual en microdamages en el hueso, que se acumulan y se convierten en las fracturas por estrés. Hasta la fecha, la información relacionada con hueso reacción a las fuerzas de impacto de tierra externo es limitada. Es importante estudiar cómo el hueso tibia responde a la carga mecánica introducida por las fuerzas de alto impacto durante movimientos dinámicos. Examen de deformación ósea de tibia durante las actividades de alto impacto podría conducir a una mejor comprensión del mecanismo de fractura de estrés de la tibia.
Las técnicas convencionales utilizadas para medir la deformación ósea en vivo dependen instrumentada galgas10,11,12,13,14,15. Procedimientos quirúrgicos son necesarios para implantar galgas en la superficie del hueso. Debido a la naturaleza invasiva en vivo estudios están limitados por una pequeña muestra de voluntarios. Además, el calibrador de tensión sólo puede controlar una región pequeña de la superficie del hueso. Recientemente, un método no invasivo utilizando simulación por ordenador para analizar la tensión ósea fue introducido16,17. Esta metodología permite la capacidad de combinar musculoesquelético modelado y simulaciones computacionales para estudiar hueso tensión durante el movimiento humano.
Un modelo de aparato locomotor está representado por un esqueleto y los músculos esqueléticos. El esqueleto consiste en segmentos de hueso, que son cuerpos rígidos o indeformables. Los músculos esqueléticos están modelados como controladores utilizando el algoritmo de progresivo-integral-derivado (PID). El control PID de tres períodos utiliza errores en la estimación para mejorar la exactitud de salida18. En esencia, Controladores PID que representan los músculos intentan duplicar los movimientos del cuerpo mediante el desarrollo de las fuerzas necesarias para producir cambios de longitud de los músculos con el tiempo. Controlador PID utiliza el error en la curva longitud/tiempo para modificar la fuerza para reproducir el movimiento. Este proceso de simulación crea una solución factible para coordinar todos los músculos a trabajar juntos para mover el esqueleto y producir el movimiento del cuerpo.
Uno o más segmentos en el esqueleto del modelo músculo-esquelético pueden ser modelados como cuerpos flexibles para permitir la medición de la deformación. Por ejemplo, el hueso de la tibia puede dividirse en un número finito de elementos, que consiste en miles de elementos y nodos. El efecto de la carga mecánica en la tibia flexible puede ser examinado mediante análisis de elementos finitos (FE). El análisis calcula la respuesta de carga de elementos individuales con el tiempo. Como el número de aumento de nodos y elementos de hueso, aumentará significativamente el tiempo de cálculo de los análisis.
Para reducir el coste computacional con una evaluación precisa de la deformación de los cuerpos flexibles, análisis modal de la FE ha sido desarrollado y utilizado en la industria automotriz y aeroespacial19,20. En lugar de analizar las respuestas individuales de los elementos FE a carga mecánica en el dominio del tiempo, este procedimiento evalúa las respuestas mecánicas de un objeto basadas en diferentes frecuencias de vibración en el dominio de la frecuencia. Este método resulta en una reducción significativa en el tiempo de cómputo mientras que proporciona una medición precisa de la deformación20. Aunque el análisis modal se ha utilizado ampliamente para estudiar fatiga mecánica en las áreas automotrices y aeroespaciales, la aplicación de este método ha sido muy limitada en Ciencias del movimiento humano. Al Nazer et al., utilizaron un análisis modal para examinar deformación tibial durante la marcha humana y divulgado fomentar resultados16,17. Sin embargo, su método fue afectado grandemente usando sólo limitados datos cinemáticos de un experimento para las simulaciones de computadora; No había ningún real utilizadas para las simulaciones de las fuerzas de impacto a tierra. Este enfoque puede ser razonable para el estudio de movimientos lento de bajo impacto como caminar, pero no es una solución viable para el estudio de movimientos de suelo de alto impacto. Por lo tanto, para examinar las reacciones de la parte inferior del cuerpo del hueso durante las actividades dinámicas de alto impacto, es esencial desarrollar un enfoque innovador para abordar las limitaciones asociadas con el método previamente divulgado. Específicamente, un método utilizando datos cinemáticos experimentales exacta y real deben desarrollar las fuerzas de impacto de la tierra. Por tanto, el objetivo de este estudio fue desarrollar un modelo de aparato locomotor de temas específicos para realizar simulaciones dinámicas multicuerpo con análisis modal para examinar la tensión tibial durante actividades de alto impacto. Un movimiento de alto impacto dinámico representado por desembarques de caída desde distintas alturas fue seleccionado para probar el método.

<table><tbody><tr><td>Escáner de tomografía computarizada</td><td>GE Medical System</td><td>N/A</td><td>Velocidad de la luz VCT. Para la realización de una tomografía computarizada de la tibia.</td></tr><tr><td>Sistema de captura de movimiento</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Cámaras de alta velocidad Vicon FX40. Para realizar captura de movimiento en 3D.</td></tr><tr><td>Placas de fuerza</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>Recolección de fuerzas de reacción del suelo en 3D</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Programa de software de captura de movimiento. Para el procesamiento de datos de trayectoria de marcadores visuales.</td></tr><tr>Software de análisis de biomecánica <td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>. Para el cálculo de la cinemática 3D y la cinética de los movimientos humanos.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>N/A</td><td>Software de programación informática. Para realizar el filtrado de datos sin procesar, la conversión de datos y el procesamiento de datos.</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A Programa</td> de <td>simulación dinámica por computadora multicuerpo.</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>Un plug-in de software en ADAMS. Para la construcción de modelos musculo-esqueléticos del cuerpo humano.</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>Programa de procesamiento de imágenes. Una herramienta de modelado 3D para procesar datos de imágenes. Para crear un modelo de tibia en 3D a partir de tomografías computarizadas.</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A Software de análisis de</td><td>elementos finitos. Para realizar el mallado de volumn, generar el modelo FE de la tibia y ejecutar el análisis FE modal.</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>Software de análisis estadístico.</td></tr></tbody></table>

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

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

Lesiones de estrés óseas son comunes en los deportes y entrenamientos militares. Repetitivos tierra grandes fuerzas de impacto durante el entrenamiento podrían ser la causa. Es esencial para determinar el efecto de impacto elevada fuerzas de deformación de la parte inferior del cuerpo del hueso para comprender mejor los mecanismos de lesiones de estrés óseas. Medición de galgas convencionales se ha utilizado para estudiar en vivo la deformación tibia. Este método se asocia con limitaciones incluyendo la invasividad del procedimiento, participación de algunos seres humanos y datos de cepa limitada de las superficies óseas pequeñas. El presente estudio pretende introducir un nuevo enfoque para estudiar la tensión ósea de tibia bajo alto impacto de las condiciones de carga. Un tema-específicas musculoesquelético modelo fue creado para representar a un varón sano (19 años, 80 kg, 1.800 mm). Un flexible modelo tibia fue creado basado en una exploración de la tomografía computada (CT) de la tibia derecha del sujeto. Captura de movimiento de laboratorio fue realizado para obtener la cinemática y la tierra las fuerzas de reacción de gota-aterrizajes de diferentes alturas (26, 39, 52 cm). Se realizaron simulaciones por ordenador dinámica multicuerpo combinadas con un análisis modal de la tibia flexible para cuantificar la tensión tibia durante los aterrizajes de la gota. Datos de tensión calculado tibia fueron en buen acuerdo con estudios previos en vivo . Es evidente que este enfoque no invasivo puede aplicarse para estudiar la deformación ósea de tibia durante las actividades de alto impacto para una cohorte grande, que conducirá a una mejor comprensión del mecanismo de la lesión de las fracturas de estrés de tibia.

Un saludable varón caucásico (19 años, 1.800 mm de masa 80 kg) se ofreció como voluntario para el estudio. Antes de la recogida de datos, el tema revisado y firmado el formulario de consentimiento aprobado por la Junta de revisión institucional de la Universidad antes de participar en el estudio. El experimento se realizó bajo la declaración de Helsinki. El experimento se realizó según el siguiente protocolo.
Con el fin de verif...

Durante el aterrizaje, los huesos de la parte inferior del cuerpo experimentan grandes cargas mecánicas y se deforman. Es esencial para medir la deformación del hueso para comprender mejor los mecanismos de lesiones de estrés óseas asociadas con impactos. Un nuevo enfoque de integración de tema-específicas musculoesquelética modelado y análisis de elementos finitos se utiliza para medir tensión tibial durante movimientos dinámicos.

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

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

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.

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Investigación

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingeniería

El estudio actual establece una metodología de simulación de elemento finito-experimento acoplado a obtener la respuesta mecánica dinámica uniaxial de biomateriales blandos (cerebro, hígado, tendón, grasa, etc.). Los resultados experimentales multiaxiales que surgieron a causa de la muestra abombamiento obtuvieron de Split-Hopkinson pruebas de presión bares fueron prestados a un comportamiento tensión-deformación uniaxial cierto cuando simulado mediante la optimización iterativa del análisis...

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