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Article de méthode

Disciplinaires musculo-squelettique modèle pour étudier les déformation osseuse pendant le mouvement dynamique

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⸱

DOI :

10.3791/56759

⸱

11 avril 2018

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

Dans cet article

Résumé

Lors de l’atterrissage, OS de la partie inférieure du corps expérience grosses charges mécaniques et sont déforment. Il est essentiel de mesurer la déformation osseuse afin de mieux comprendre les mécanismes des traumatismes liés au stress osseux associés aux impacts. Une nouvelle approche de l’intégration disciplinaire modélisation musculo-squelettique et analyse par éléments finis sert à mesurer la déformation tibiale au cours de mouvements dynamiques.

Résumé

Traumatismes liés au stress osseux sont communs dans les sports et les formations militaires. Forces d’impact répétitives vaste terrain au cours de la formation pourraient être la cause. Il est essentiel de déterminer l’effet de l’impact avec le sol haute forces sur la déformation de l’os du bas du corps afin de mieux comprendre les mécanismes des traumatismes liés au stress osseux. Mesure de la jauge de contrainte conventionnelle a été utilisé pour étudier in vivo la déformation tibia. Cette méthode est associée aux limites y compris le caractère invasif de la procédure, l’implication de quelques sujets humains et les données de déformation limitée de surfaces petit os. La présente étude vise à introduire une nouvelle approche pour étudier la déformation osseuse tibia sous conditions de charge élevée aux chocs. Un modèle musculo-squelettique spécifiques a été créé pour représenter un homme en bonne santé (19 ans, 80 kg, 1 800 mm). Un modèle de tibia flexible par éléments finis a été créé sur un balayage de la tomodensitométrie (TDM) du tibia droit du sujet. Capture de mouvement de laboratoire a permis d’obtenir des cinématique et au sol des forces de réaction de goutte-débarquements de hauteurs différentes (26, 39, 52 cm). Simulation dynamique multicorps combinée à une analyse modale du tibia flexible effectuées pour quantifier la déformation du tibia au cours de la goutte-débarquements. Données de déformation calculée tibia sont en bon accord avec des études antérieures en vivo . Il est évident que cette approche non invasive peut être appliquée afin d’étudier la déformation osseuse tibia lors des activités à impact élevé pour une grande cohorte, ce qui conduira à une meilleure compréhension du mécanisme de la blessure de fractures de fatigue tibia.

Introduction

Osseuse traumatismes liés au stress, tels que les fractures de stress, sont des blessures de surutilisation sévère nécessitant de longues périodes de récupération et d’encourir des coûts médicaux importants1,2. Fractures de stress sont communs aussi bien dans les populations sportives et militaires. Parmi tous les sports liés à des blessures, fractures de stress représentent 10 % du total3. En particulier, les athlètes de piste face à un taux plus élevé de blessures à 20 %4. Soldats d’expérience également un taux élevé de fractures de stress. Par exemple, un taux de 6 % des blessures a été signalé pour l' US Army1 et un taux de 31 % des blessures dans l' armée israélienne5. Parmi toutes les fractures de fatigue signalées, tibia fracture de stress est le plus commun du7,6,8.

Sport et formations physiques avec un risque accru de fracture de fatigue tibia sont normalement associées aux impacts au sol élevée (p. ex., saut, l’atterrissage et coupe). Au cours de la locomotion, une force de l’impact au sol est appliquée sur le corps quand le pied entre en contact avec le sol. Cette force d’impact est dissipée par le système musculo-squelettique et des chaussures. Le système squelettique est une série de leviers permettant aux muscles d’appliquer des forces pour absorber l' impact de sol9. Lorsque les muscles de la jambe ne peut pas réduire suffisamment l’impact avec le sol, les os du bas du corps doivent absorber la force résiduelle. La structure osseuse subiront déformation au cours de ce processus. L’absorption répétitive de la force de l’impact résiduel peut entraîner microdamages dans l’OS, qui s’accumulent et deviennent des fractures de stress. À ce jour, l’information relative aux os, réaction aux forces d’impact au sol externe est limitée. Il est important d’étudier comment l’os du tibia répond à la charge mécanique introduite par les forces d’impact élevées lors des requêtes dynamiques. Examinant la déformation osseuse tibia lors des activités à impact élevé pourrait conduire à une meilleure compréhension du mécanisme de la fracture de fatigue tibia.

Les techniques classiques utilisées pour mesurer la déformation osseuse in vivo dépendent instrumenté jauges10,11,12,13,14,15. Procédures chirurgicales sont nécessaires pour implanter des jauges de contrainte sur la surface osseuse. En raison de la nature invasive, études in vivo sont limitées par un petit échantillon de volontaires. En outre, la jauge de contrainte ne peut surveiller une petite région de la surface osseuse. Récemment, une méthode non invasive utilisant une simulation sur ordinateur pour analyser la déformation osseuse a été introduite16,17. Cette méthodologie permet la possibilité de combiner la modélisation musculo-squelettique et simulations informatiques afin d’étudier la déformation osseuse au cours du mouvement humain.

Un modèle de l’appareil locomoteur est représenté par un squelette et des muscles squelettiques. Le squelette est constitué de segments osseux, qui sont des corps rigides ou indéformable. Les muscles squelettiques sont modélisés comme des contrôleurs à l’aide de l’algorithme de progressive-intégral-dérivé (PID). La régulation PID de trois trimestres utilise des erreurs dans l’estimation pour améliorer la précision de sortie18. Essentiellement, les régulateurs PID représentant les muscles essaient de reproduire les mouvements du corps en développant les forces nécessaires pour produire des changements de longueur des muscles au fil du temps. Le contrôleur PID utilise l’erreur dans la courbe de longueur/temps pour modifier la force pour reproduire le mouvement. Ce processus de simulation crée une solution réalisable pour coordonner tous les muscles à travailler ensemble pour déplacer le squelette et produire le mouvement du corps.

Un ou plusieurs segments dans le squelette du modèle de l’appareil locomoteur peuvent être modélisés comme des organes flexibles pour permettre la mesure de la déformation. Par exemple, l’os du tibia peut être décomposé en un nombre fini d’éléments, qui se compose de milliers de nœuds elements et. L’effet d’une charge mécanique du tibia flexible peut être examiné par le biais de l’analyse par éléments finis (FE). L’analyse de FE calcule la réponse de chargement d’éléments individuels au fil du temps. Comme le nombre de nœuds elements et augmentation des os, le temps de calcul de l’analyse de FE augmentera de manière significative.

Afin de réduire les coûts informatiques avec une évaluation précise de la déformation des organes flexibles, analyse modale de FE a été développé et utilisé dans l’industrie automobile et l’aéronautique19,20. Au lieu d’analyser les réponses des éléments individuels de FE à charge mécanique dans le domaine temporel, cette procédure évalue les réponses mécaniques d’un objet basés sur différentes fréquences de vibration dans le domaine fréquentiel. Cette méthode entraîne une réduction significative des temps de calcul tout en fournissant une mesure précise de déformation20. Bien que l’analyse modale de FE a été largement utilisé pour étudier la fatigue mécanique dans les secteurs automobiles et aérospatiales, l’application de cette méthode a été très limitée dans la science du mouvement humain. Al Nazer et coll., utilisé une analyse modale de FE pour examiner la déformation tibiale durant la marche humaine et rapporté encourageant résultats16,17. Cependant, leur méthode a été grandement affectée en utilisant uniquement des données cinématiques limitées provenant d’une expérience de conduire des simulations par ordinateur ; Il n’y a pas de réel impact forces utilisés pour aider les simulations au sol. Cette approche peut être raisonnable pour l’étude des mouvements lent faible impact comme la marche, mais il n’est pas une solution réaliste pour étudier les mouvements d’impact au sol élevée. Ainsi, afin d’examiner les réactions de la partie inférieure du corps osseux lors d’activités dynamiques à fort impact, il est essentiel de développer une approche innovante pour pallier les lacunes associées à la méthode indiquée précédemment. Plus précisément, une méthode utilisant des données cinématiques expérimentales précises et réel au sol des forces d’impact doivent être développées. Par conséquent, l’objectif de cette étude était de développer un modèle musculo-squelettique spécifiques pour effectuer des simulations de dynamiques multicorps avec analyse modale de FE pour examiner la déformation tibiale lors des activités à impact élevé. Un mouvement dynamique impact élevé représenté par goutte-débarquements de hauteurs différentes a été sélectionné pour tester la méthode.

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Protocole

L’expérience a été menée en vertu de la déclaration d’Helsinki. Avant la collecte de données, l’objet examiné et signé le formulaire de consentement approuvé par l’Université Institutional Review Board avant de participer à l’étude.

1. protocole d’imagerie CT

  1. Prendre le participant à une installation où un tomodensitomètre est logé. Avant le CT scan, configurer la machine CT avec les paramètres suivants : épaisseur de tranche de CT de 0,625 mm, CT de champ de 15 cm x 15 cm et auto réglage des paramètres de kilo-tension de crête (kVp) et milliampères-secondes (mAs) utilisant l’algorithme de la machine.
  2. Demander au participant de s’allonger sur une table qui coulisse dans un anneau dans le tomodensitomètre. Demander au participant de rester très calme pendant le balayage de CT. Numériser chaque jambe séparément du calcanéum par l’intermédiaire de l’extrémité distale du fémur.
  3. Une fois le CT scan, exporter les images de CT dans une imagerie numérique et des communications au format de la médecine (DICOM). Choisissez une taille d’image de 512 x 512 pixels (échelle de gris).
    Remarque : Le protocole d’imagerie CT dure normalement moins de 1 h. La dose de rayonnement est minime. Il ne présente aucun risque plus grand que le celle rencontrée au cours de procédures médicales normales aux rayons x.

2. Protocole de mesure anthropométriques

  1. Lors de la visite du laboratoire, avant la capture de mouvement, mesurer la masse corporelle du participant (kg), taille (mm), la distance entre les épines iliaques antérieures-superior (tour) (mm) longueur (mm), largeur (mm) du joint du genou et largeur du joint cheville (mm).
  2. Inter de mesure de distance ASIS : utiliser un pied à coulisse pour mesurer la distance linéaire entre l’ASIS gauche et droite ASIS.
  3. Mesure de la longueur des jambes : utilisez une bande de mesure pour mesurer la distance linéaire l’ASIS et la malléole interne pour les deux jambes.
  4. Mesure de la largeur du joint de genou : utiliser un pied à coulisse pour mesurer la distance linéaire entre l’épicondyle latéral et médial du fémur pour les deux genoux.
  5. Mesure de largeur du joint de cheville : utiliser un pied à coulisse pour mesurer la distance linéaire entre les malléoles médiales et latérales pour les deux jambes.
    Remarque : L’inter ASIS distance, largeur de jambe longueur, les genoux et les chevilles sont utilisés pour générer un modèle objet dans un logiciel de biomécanique (voir Table des matières) pour effectuer des calculs de cinématiques et cinétiques.

3. motion Capture Protocole

Remarque : Consultez la Table des matières pour tous les logiciels et outils utilisés.

  1. Placement des marqueurs réfléchissants
    1. Placer des marqueurs réfléchissants de 14 mm sur le corps du participant sur les repères osseux anatomiques suivants : processus d’acromion, articulations sternoclavicular, base du sternum, processus postérieur du 10ème vertèbres thoraciques, tour, postéro-supérieur iliaque épines (PSISs), 1,5 cm au-dessus des lignes communes latérale du genou, 1,5 cm au-dessus des lignes conjointes de genou médial, latéral malléoles, malléoles médiales, talons postérieures, bases des deuxième métatarsiens et bases des cinquième métatarsiens.
    2. Placer les plaques en plastique semi-rigide avec clusters 4-marqueur sur les cuisses et les jarrets, respectivement.
      Remarque : Pour un meilleur résultat de capture de mouvement, le participant est recommandé d’être pieds nus et de porter des vêtements moulants. En outre, la procédure de placement du marqueur suit un protocole modifié de « Plug-in-démarche »21. Un total de 39 marqueurs réfléchissants sont utilisés pour la capture de mouvement et 34 d'entre eux sont attachés à la partie inférieure du corps.
  2. Instruire le participant à se réchauffer en marchant sur un tapis de course motorisé à vitesse auto-sélectionnés pendant 5 min.
  3. Étalonnage de l’espace de la salle pour la procédure de capture de mouvement
    1. Allumez le système de capture de mouvement (12 caméras à infra-rouge à grande vitesse) et deux force de plaques. Ouvrez un logiciel de capture de mouvement. Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet « Ressources ». Cliquez sur l’onglet « Système » configurer la fréquence de l’appareil photo à 200 Hz et forcer la fréquence de la plaque à 2 000 Hz.
    2. Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet « Outils ». Cliquez sur le bouton « Préparation du système ». Cliquez sur « Calibrer les caméras ». Cliquez sur « Démarrer ». Demander un recherche personnel une baguette étalon 5-marqueur pour effectuer un étalonnage dynamique au sein de l’espace de la salle où les mouvements de baisse-débarquement doivent être effectués. Cliquez sur « Stop » après 5 s de baguette données ont été acquises.
    3. Placer la baguette d’étalonnage plat sur le sol pour s’aligner sur un coin d’une plaque de force dans le but de spécifiant un emplacement de référence (origine) pour l’espace calibré. Cliquez sur « Définir l’origine Volume » dans le volet d’outils « System Preparation ».
  4. Préparation participante au programme logiciel de motion capture
    1. Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet « Ressources ». Cliquez sur l’onglet « Objet » cliquez sur le bouton « Créer un nouveau sujet grâce à un squelette d’étiquetage ». Sélectionnez un modèle de l’étiquetage sur une liste de fichiers de modèle fourni.
    2. Dans la fenêtre « Propriétés », entrez le nom et les valeurs de masse corporelle (kg), taille (mm), distance inter-ASIS (mm), longueur (mm) de la jambe gauche et droite, genou gauche et droite largeur (mm) et largeur (mm) de la cheville gauche et droite du sujet. Dans le volet « Ressources de l’objet », clic droit sur le nom de l’objet et cliquez sur « Enregistrer le sujet ».
  5. Enregistrer une pose d’étalonnage corps statique
    1. Demander au participant de se tenir immobile au milieu de la pièce calibrée avec pieds largeur des épaules tout en étendant les extrémités supérieures latéralement afin que tous les marqueurs réfléchissants sur le corps sont bien exposés aux caméras.
    2. Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet d’outils. Cliquez sur l’onglet « Préparation du sujet ». Dans la section objet Capture, cliquez sur « Start » pour enregistrer une requête 3 s du procès pour le calibrage statique du procès.
  6. Procédure de détermination des centres interarmées fonctionnelles
    1. Centre de l’articulation de la hanche fonctionnelle
      1. Demander au participant de se tenir avec une jambe et déployez l’autre jambe légèrement vers l’avant. Demander au participant de bouger la jambe étendue autour de l’articulation de la hanche dans l’ordre suivant : se déplacer vers l’avant et retour au neutre, se déplacer latéralement antérieur et retour au neutre, se déplacer latéralement et retour au neutre, déplacer postéro-latérale et retour à neutre, se déplacer vers l’arrière et retour au neutre et un mouvement de circumduction.
      2. Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet « Outils », cliquez sur l’onglet « Capture ». Dans la section Capture, cliquez sur « Start » pour enregistrer un essai de mouvement pour chaque mouvement de hanche fonctionnelle.
    2. Centre commun du genou
      1. Demander au participant de se tenir avec une jambe et maintenir une 30° hanche hyper-extension de l’autre jambe. Demandez aux participants d’effectuer un flexion du genou de 45° avec la jambe non poids roulement pendant 5 fois.
      2. Dans la section « Capture » du volet « Outils », cliquez sur « Start » pour enregistrer un essai de mouvement pour chaque mouvement du genou.
        Remarque : Pour plus de détails de la procédure commune fonctionnelle, consultez Schwarz, et al. 22
  7. Capture de mouvement des mouvements de baisse-atterrissage
    1. Randomiser l’ordre d’utiliser trois différentes hauteurs de chute-atterrissage (26 cm, 39 cm et 52 cm)14.
    2. Place la hauteur réglée boîte en bois avec une surface supérieure de 50 x 50 cm2 sur le sol couvert par un tapis en caoutchouc. La boîte en bois est 11 cm des bords des plaques force. Demander aux participants de se tenir debout sur la surface de la boîte.
    3. Demander au participant d’étendre leur pied dominant directement en face de la zone et descendez dans la zone de déplacer leur poids vers l’avant. Demander au participant d’atterrir avec les deux jambes sur le sol en même temps avec chaque pied sur une plaque séparée.
    4. Demander au participant de rester debout jusqu'à ce que la capture de mouvement de l’essai est terminée. Répétez la capture de mouvement trois fois de recueillir trois essais de mouvement pour chaque hauteur.
  8. Motion capture informatique
    1. Ouvrez un logiciel de capture de mouvement. Dans la fenêtre principale du programme, aller vers le volet « Communications ». Cliquez sur l’onglet « Gestion des données » sélectionner un des essais mouvement enregistré et l’ouvrir dans le programme.
    2. Dans le volet « Outils », cliquez sur l’onglet « Pipeline ». Dans la liste de « Pipeline actuel », sélectionnez le pipeline « Reconstruire ». Cliquez sur le bouton « Exécuter » pour démarrer le processus de reconstruction afin d’obtenir des trajectoires de trois dimensions (3D) de marqueurs réfléchissants.
    3. Dans le volet « Outils », cliquez sur l’onglet « Label/modifier ». Dans la section « Étiquetage manuel », sélectionnez les noms de chaque marqueur et étiqueter les trajectoires 3D correspondants. Cliquez sur « Enregistrer » bouton de la barre d’outils lorsque l’étiquetage est terminé.
    4. Dans le volet « Outils », cliquez sur l’onglet « Pipeline ». Dans la section « Opérations disponibles », sélectionnez « Exporter les fichiers ». Double-cliquez sur « Exportation C3D pipeline ». Cliquez sur le bouton « Exécuter » pour exporter le procès motion transformés vers un fichier dans un format de (C3D) coordonnée tri-dimensionnels.
  9. Analyse biomécanique des données de capture de mouvement
    1. Ouvrez un logiciel de biomécanique à la procédure complémentaire, les données de capture de mouvement. Dans le menu principal, cliquez sur « Fichier » et cliquez sur le bouton « Ouvrir/ajouter ». Sélectionnez les fichiers raw de C3D pour importer dans le logiciel de biomécanique.
    2. Dans le menu principal, cliquez sur « Modèle ». Cliquez sur « créer (ajouter le fichier de Calibration statique) ». Dans le sous-menu, sélectionnez « Modèle hybride de C3DFile ». Sélectionnez et ouvrez le fichier C3D de calibrage statique.
    3. Dans le menu principal, cliquez sur « Modèle ». Dans la liste déroulante, cliquez sur « Appliquer le modèle de modèle ». Sélectionnez et ouvrez un fichier de modèle de modèle. Cliquez sur l’onglet « Modèles » dans la barre d’outils. Cliquez sur l’onglet « Objet données / indicateurs ». Dans la fenêtre « Données de l’objet », modifier les valeurs de « Masse » et « Height » pour rendre le modèle disciplinaire.
    4. Cliquez sur l’onglet « Modèles » dans la barre d’outils. Cliquez sur le bouton « Modèle Builder Post traitement avancé » de la barre de menu. Dans la fenêtre pop-up de la « modèle Builder Post traitement avancé », cliquez sur l’onglet de Joints « fonctionnelle » Select « ajouter Motion fichier d’espace de travail ».
    5. Sélectionnez les fichiers fonctionnels Centre commun C3D. Mettez en surbrillance un fichier commun fonctionnel importé. Mettez en surbrillance une articulation fonctionnelle correspondant au fichier. Utilisez le « Set START Frame à Frame actuel » et « Mis fin à actuelle cadre » pour sélectionner les parties appropriées de la requête en première instance. Cliquez sur le bouton « Calculer les Landmarks vérifié ». Répétez cette procédure pour calculer d’autres centres interarmées fonctionnelles pour affiner le modèle squelettique.
    6. Cliquez sur le bouton « Modèle » dans la barre de menu du haut. Sélectionnez « Affecter le modèle aux fichiers Motion ». Dans la fenêtre pop-up des « Assigner des modèles à mouvement données », appliquer le modèle squelettique de thématiques à tous les procès de motion.
    7. Cliquez sur le bouton « Pipeline » de la barre d’outils. Dans la fenêtre pop-up de le « atelier du Pipeline », cliquez sur « Open Pipeline ». Sélectionnez le « Filtrage des cibles Pipeline ». Cliquez sur le bouton « Exécuter le Pipeline » pour réaliser un filtre de Butterworth passe-bas quatrième ordre avec fréquence de coupure de 10 Hz sur les trajectoires 3D des essais de capture de mouvement.
    8. Cliquez sur le bouton « Pipeline » de la barre d’outils. Dans la fenêtre pop-up de le « atelier du Pipeline », cliquez sur « Open Pipeline ». Sélectionnez le « Filtrage des Forces Pipeline ». Cliquez sur le bouton « Exécuter le Pipeline » pour réaliser un filtre de Butterworth passe-bas quatrième ordre avec fréquence de coupure de 60 Hz sur les forces de réaction du sol des essais de capture de mouvement.
    9. Cliquez sur le bouton « Paramètres » de la barre de menu. Placez les coches à côté de « Utilisation traités analogues pour sol réaction Force calculs » et « Utilisation traitées objectifs pour modèle/Segment/LinkModelBased Items ».
    10. Cliquez sur le bouton « Pipeline » de la barre d’outils. Dans la fenêtre pop-up de le « atelier du Pipeline », cliquez sur « Open Pipeline ». Sélectionnez le pipeline « Calcul en modèle ». Cliquez sur le bouton « Exécuter le Pipeline » pour effectuer des calculs du bas du corps commune cinématique et cinétique.
    11. Cliquez sur le bouton « Pipeline » de la barre d’outils. Dans la fenêtre pop-up de le « atelier du Pipeline », cliquez sur « Open Pipeline ». Sélectionnez le tuyau « Exportation C3D coordonne ». Cliquez sur le bouton « Exécuter le Pipeline » pour exporter les coordonnées 3D transformées du bas du corps des marqueurs visuels dans un fichier C3D.
    12. Cliquez sur le bouton « Pipeline » de la barre d’outils. Dans la fenêtre pop-up de le « atelier du Pipeline », cliquez sur « Open Pipeline ». Sélectionnez le pipeline « Exporter les Forces de réaction au sol ». Cliquez sur le bouton « Exécuter le Pipeline » pour exporter la réaction de la terre 3D transformés les forces dans un fichier binaire (extension de fichier : MAT).
      Remarque : Pour conserver les pics d’impact élevé au moment des atterrissages, une fréquence de 60 Hz coupure est utilisée pour filtrer le haché cru réaction force données23.
  10. Préparation des données de capture de mouvement pour les simulations informatiques
    1. Ouvrir un ordinateur logiciel de programmation. Importer le fichier de données C3D filtré et le fichier de données MAT.
    2. Exporter un fichier texte contenant les coordonnées du Centre conjoint de bas du corps. Convertir le fichier de données de C3D et le fichier de données MAT en fichiers texte (extension de fichier : slf) pour une utilisation par un programme de simulation dynamique multicorps.

4. objet spécifique procédure de modélisation

  1. Création de modèle de squelette du bas du corps
    1. Ouvrez le multicorps programme de logiciel de simulation dynamique avec le corps humain modeling plug-in installé. Pendant ce processus, le corps humain module plug-in de modélisation est automatiquement ouvert. Dans l’écran de démarrage, double-cliquez sur l’icône « Nouveau modèle » pour ouvrir le modèle de panneau de construction.
    2. Dans le panneau modélisation principal, dans la section « Bibliothèque de base de données anthropométriques », choisissez le corps générique (GeBOD) dans la liste déroulante. Dans le panneau principal de modélisation, spécifier la masse corporelle (kg), la hauteur (mm) du corps, le sexe et l’âge (mois).
    3. Dans le panneau modélisation principal, dans la section « Configuration de corps », cliquez sur la case d’option « Partie inférieure du corps ». Dans la liste déroulante « Unités », sélectionnez « Millimètre kilo Newton ». Dans le panneau modélisation principal, cliquez sur le bouton « Appliquer » dans la section « Créer des Table de mesure en corps » d’accepter les mesures du corps. Continuez à cliquer sur le bouton « Appliquer » dans la section « Créer des Segments humaine » pour créer un modèle de base squelettique du bas du corps.
      Remarque : Ce modèle est mis à l’échelle basé sur la hauteur de l’individu, la masse, âge et sexe. Le modèle se compose de sept segments : un bassin, deux cuisses, deux queues et deux pieds (Figure 1). Tous les segments sont modélisés comme des corps rigides.
  2. Modélisation des articulations du bas du corps
    1. Dans le panneau modélisation principal, dans la liste déroulante du menu principal, sélectionnez « Joints » pour ouvrir le panneau de configuration de joint.
    2. Dans le panneau de configuration de joint, dans la section « Éléments de ROTATION conjointe », cliquez sur le bouton en regard de « Préparer modèle avec enregistrement articulations ». Dans la section « Printemps amortisseurs et limites sites conjoints », entrez les paramètres suivants : raideur articulaire nominale de Nmm/1o, amortissement mixte nominale de 0,1 Nmm∙s / °, raideur articulaire de cesser de 3.38E7 Nmm / °. Continuer de sélectionner « Pied gauche » et « Jambe droite » en cochant les cases correspondant aux noms. Cliquez sur le bouton « Appliquer » pour accepter les configurations communes.
    3. Dans le panneau modélisation principal, dans la liste déroulante du menu principal, sélectionnez « Workflow ». Dans la liste déroulante du sous-menu, sélectionnez « Démarche » et « Calibrer ». Dans la section « Centre commun de données », entrez le fichier du bas du corps Centre conjoint du participant.
    4. Cliquez sur le bouton « Load » pour importer les données pour modifier l’emplacement des centres de la communes. Dans la section « Charge statique du procès », entrez le procès de capture de mouvement statique d’étalonnage (au format de fichier slf, génération décrite dans les étapes 3.8-3.10). Cliquez sur le bouton « Load » pour importer le fichier pour paramétrer le modèle squelettique de la partie inférieure du corps.
      Remarque : Par défaut, les articulations de la hanche sont configurées comme des rotules avec trois degrés de liberté, articulations de genou sont configurées comme des articulations revolute avec un degré de liberté et articulations de la cheville sont configurées comme des joints de cardan avec deux degrés de liberté.
  3. Modélisation des muscles squelettiques
    1. Dans le panneau modélisation principal, dans la liste déroulante du menu principal, sélectionnez « Tissus mous ». Dans la liste déroulante du sous-menu, sélectionnez « Create Base tissu Set ». Dans la section « Éléments CONTRACTILES MUSCLE », cliquez sur « Préparer avec enregistrement Muscle éléments de modèle ».
    2. Dans la section « Enregistrement élément musculaire des propriétés globales », cliquez sur la case d’option de la « mise à jour 45 Muscle Set ».
    3. Dans la section « Enregistrement élément musculaire des propriétés globales », acceptez les paramètres par défaut suivants pour les propriétés du muscle : raideur Passive de 0.4448 N/mm, amortissement passif de 1,75 E-2 Ns/mm, charge de repos musculaire de 0.4448 N. cocher les cases d’option de « Pied gauche » et « Jambe droite » pour les affectations de muscle. Cliquez sur le bouton « Appliquer » pour accepter les configurations.
      Remarque : L’ensemble de muscles des pattes 45 comprend les muscles suivants : adducteur Brevis, Longus adducteur, Magnus adducteur (trois groupes), chef Long Biceps Femoris, Biceps Femoris tête courte, Extensor Digitorum, Hallucis d’extenseur, Flexor Digitorum, Flexor Hallucis, Muscle gastrocnémien, Gemellus, Gluteus Maximus (trois groupes), Gluteus Medias (trois groupes), Gluteus Minimis (trois groupes), Gracilis, ischio-jambiers, Iliacus, gastrocnémien latéral, le gastrocnémien médial, Pectineus, Peroneus Brevis, Peroneus Longus, long péronier Tertius, pyramidal, Psoas, Quadriceps fémoral, Rectus Femoris, Sartorius, semi-membraneux, semi-tendineux, muscle soléaire, Tensor Fasciae Latae, jambier antérieur, muscle tibial postérieur, Vastus Intermedius, Vastus Lateralis, Vastus Medialis.

5. Simulations de la dynamique des corps multiples de

  1. Réalisation d’une simulation cinématique inverse
    1. Dans le panneau modélisation principal, dans la liste déroulante du menu principal, sélectionnez « Workflow ». Dans la liste déroulante du sous-menu, sélectionnez « Démarche » et « Procès ». Dans la section « Dynamic Data du procès », entrez le nom de fichier d’un procès de capture de mouvement dynamique (au format de fichier slf) et cliquez sur le bouton « Load » pour importer les données. Continuer d’entrer dans la force de réaction de sol correspondantes données du fichier (au format de fichier slf) et cliquez sur le bouton « Load » pour importer les données.
    2. Dans le panneau modélisation principal, dans la liste déroulante du menu principal, sélectionnez « _Analyze ». Exécuter l’analyse reparamétrage pour ajuster la posture du modèle pour correspondre à la posture au début de l’essai dynamique.
    3. Ouvrez le panneau de la Simulation. Désactivez les effets de la gravité et au sol des forces de réaction. Choisissez le procès motion toute la longueur de la simulation.
    4. Spécifier un pas de temps de simulation de 100 pas/s. exécuter une simulation cinématique inverse pilotée par les données de capture de mouvement. Enregistrer l’analyse de simulation cinématique inverse.
  2. Création d’un agent de traqueur de motion
    1. Ouvrez le panneau de Motion Tracker Agent création. Acceptez le nom de tracker par défaut : MA_Track.
    2. Définir la rigidité translationnelle et la rigidité rotationnelle comme 10 N/mm et 1 000 Nmm / °, respectivement. Définir l’amortissement translationnelle et rotation d’amortissement comme 10 Ns/mm et 1 000 SSMN / °, respectivement. Définissez tous les degrés de liberté translationnels et de rotationnels comme Driven.
    3. Roman Uniquement sur le modèle de la partie inférieure du corps est utilisée pour la simulation dynamique vers l’avant, un traqueur de mouvement est nécessaire pour tenir compte de l’instabilité en raison de l’absence de mouvement du haut du corps.
  3. Muscles de la jambe de formation
    1. Ouvrez le panneau de configuration de tissus mous. Choisissez Simple à boucle fermée pour le modèle de muscle. Définissez les paramètres suivants pour le modèle muscle : Gain proportionnel de 1.0E6, intégrante de 1.0E6 et la dérivé de 1.0E4.
    2. Sélectionnez l’analyse de simulation cinématique inverse d’être la cible de la musculation. Appliquer la musculation.
  4. Importation d’un tibia flexible
    1. Ouvrez le panneau de l’importation de corps souple. Effectuer la cartographie d’alignement avec trois fabricants connus et leurs nœuds correspondants à la surface du tibia flexible.
    2. Choisissez le tibia rigide pour être remplacé par le tibia flexible. Sélectionnez le fichier de la force multinationale représentant le tibia flexible. Sélectionnez le fichier de mappage de fixation musculaire pour réinstaller les muscles de la jambe sur le tibia flexible. Importer le tibia flexible sur le modèle de l’appareil locomoteur.
  5. Effectuer une simulation dynamique vers l’avant avec le tibia flexible en place
    1. Ouvrez le panneau de la Simulation. Activer les effets de la gravité et au sol des forces de réaction. Désactivez les effets d’agents de la motion.
    2. Choisir d’exécuter la simulation pour la longueur de la requête entière du procès. La valeur pas de temps de simulation de 100 pas/s. exécuter une simulation dynamique vers l’avant grâce aux muscles entraînés. Enregistrer l’analyse dynamique vers l’avant.

6. création d’un modèle Flexible Tibia

  1. Création d’un modèle de maillage de surface 3D
    1. Ouvrez un programme de traitement d’image. Tranches de CT d’importation au format DICOM. Créer un masque à l’aide de la méthode de culture de région pour séparer les tissus osseux des tissus mous environnants.
    2. Recherche de tranches CT où le tibia et le péroné sont connectés. Séparer le tibia et le péroné en effaçant le masque le long de la conjonction des deux os.
    3. Créer un second masque à l’aide de la région, méthode de culture de n'inclure que l’os du tibia. Passer les tranches de CT pour découvrir les cavités existantes dans le masque du tibia. Remplir les cavités dans le masque. Créer un objet de tibia 3D basé sur le masque du tibia. Exportez l’objet 3D tibia sous forme de fichier au format dessin interchange format (DXF).
  2. Création d’un modèle de tibia par éléments finis
    1. Ouvrez un logiciel d’analyse de FE. Importez le fichier de modèle 3D tibia avec l’extension DXF.
    2. Exécuter la commande de balayage pour supprimer les éléments dupliqués et les nœuds. Exécute la commande de Volume de maille pour créer un modèle de tibia FE avec éléments hexagonaux de 3 mm x 3 mm x 3 mm. assigner les propriétés matérielles suivantes à tous les éléments : module de Young de 17 GPa, coefficient de Poisson de 0,3 et la densité du 1.9E-6 Kg/cm3.
      Remarque : Les propriétés matérielles sont affectées à chaque élément en partant du principe que le tissu osseux est isotrope dans les fourchettes de souche vécue par OS lors des requêtes dynamiques24,25,26.
  3. Création d’un modèle flexible tibia
    1. Dans le panneau de contrôle principal, cliquez sur l’onglet « Géométrie & Mesh » Select « géométrie & Mesh ». Dans la fenêtre pop-up « Géométrie & Mesh », dans la section « Mesh », cliquez sur « Ajouter des nœuds » de créer deux nouveaux nœuds pour représenter les centres des articulations du genou et la cheville.
    2. Dans le panneau principal, cliquez sur l’onglet « Liens » du RBE2 sélectionnez. Dans la fenêtre pop-up de la RBE2, créer des connexions de lien d’élément de 2 corps rigide de type (RBE2) entre la commune et nœuds de surface sur les surfaces du genou et la cheville.
    3. Dans le panneau principal, cliquez sur l’onglet « Conditions aux limites ». Dans la section « Conditions aux limites », cliquez sur le bouton « Nouveau ». Sélectionnez « Nœuds de DOF_Set ». Dans la fenêtre pop-up « Condition aux limites de propriétés », créer une condition aux limites en attribuant six degrés de liberté à chacune des deux nœuds RBE2 mixtes.
    4. Dans le panneau de contrôle principal, cliquez sur l’onglet « Loadcases ». Dans la section « Loadcases », cliquez sur « Nouveau », sélectionnez « Adams Craig-Bampton »19. Dans la fenêtre pop-up « Loadcase Properties », cliquez sur « Nœuds de DOF-Set ». Sélectionnez le dofset_nodes créé à l’étape ci-dessus.
    5. Dans le panneau principal, cliquez sur l’onglet « Emplois ». Dans la section « Emplois », cliquez sur « Nouveau ». Sélectionnez « Structurel ». Dans la fenêtre « Propriétés de la tâche », sélectionnez le loadcase créé à l’étape précédente. Cliquez sur le bouton « Résultats de l’emploi ». Dans la fenêtre pop-up « Résultats », sélectionnez « Stress » et « Souche ». Également sélectionner « Kilogramme » pour la messe, « Newton » pour la Force, « Millimètre » pour longueur et "Second" pour le moment. Cliquez sur le bouton « Exécuter ».
    6. Dans la fenêtre pop-up « Exécuter le travail », cliquez sur le bouton « Soumettre » pour présenter le travail pour une simulation de FE et de créer le fichier neutre modal (MNF) du tibia16.

7. filtrer les Analyses des données

  1. Exportation des données de déformation osseuse
    1. Ouvrez le post-processeur du programme simulation multi-corps. Charger le programme plug-in de durabilité.
    2. Ouvrir la simulation avec le tibia flexible en cliquant sur le nom de simulation. Exporter les déformations principales minimales et maximales et la déformation de cisaillement maximal des nœuds qui représentent l’aspect antéro-médiale de la diaphyse-tibiale.
  2. Traitement des données brutes de la souche
    1. Ouvrir un ordinateur logiciel de programmation pour le traitement des données. Importer des données brutes de la souche. Appliquer un filtre de Butterworth passe-bas de quatrième ordre aux données brutes avec une fréquence de coupure de 15 Hz.

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Résultats

Un mâle en bonne santé du Caucase (19 ans, hauteur de 1 800 mm, masse de 80 kg) s’est porté volontaire pour l’étude. Avant la collecte de données, l’objet examiné et signé le formulaire de consentement approuvé par l’Université Institutional Review Board avant de participer à l’étude. L’expérience a été menée en vertu de la déclaration d’Helsinki. L’expérience a été réalisée selon le protocole suivant.

Afin de vérifier l’exactit...

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Discussion

Le but de cette étude était de développer une méthode non invasive pour déterminer la déformation du tibia lors des activités à impact élevé. Quantifier la déformation du tibia en raison de la charge d’impact conduira à une meilleure compréhension du tibia fracture de stress. Dans cette étude, a développé un modèle de l’appareil locomoteur disciplinaires et simulations sur ordinateur ont été exécutées à reproduire les mouvements de baisse-atterrissage effectués dans un laboratoire. A examiné l’effet de la hauteur de chut...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

Remerciements

Département de l’armée #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006 ; Concession de Ball State University 2010 ASPiRE.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
CT ScannerGE Medical SystemN/ALight Speed VCT. Pour la réalisation d’une tomodensitométrie du tibia.
Système de capture de mouvementVicon IncN/AVicon FX40 caméras haute vitesse. Pour effectuer la capture de mouvement 3D.
Plaques de forceAMTI IncN/ACollecte des forces de réaction au sol 3D
Vicon NexusVicon IncN/ALogiciel de capture de mouvement. Pour le traitement des données de trajectoire des marqueurs visuels.
Visual 3DC-Motion IncN/ALogiciel d’analyse biomécanique. Pour le calcul de la cinématique 3D et de la cinétique des mouvements humains.
MATLABMathworks IncN/ALogiciel de programmation informatique. Pour effectuer le filtrage des données brutes, la conversion et le traitement des données.
ADAMS 2012MSC Software IncN/AProgramme de simulation informatique dynamique multicorps.
LifeMODLifemodeler IncN/AUn plug-in logiciel dans ADAMS. Pour la construction de modèles musculo-squelettiques du corps humain.
MIMICS 13Materialise IncN/AProgramme de traitement d’images. Un outil de modélisation 3D pour traiter les données d’imagerie. Pour la création d’un modèle de tibia 3D à partir de tomodensitogrammes.
MARC 2012MSC Software IncN/ALogiciel d’analyse par éléments finis. Pour effectuer le maillage de volume, générer un modèle EF de tibia et exécuter une analyse EF modale.
SPSS 19IBM IncN/ALogiciel d’analyse statistique.

Références

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