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

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.

L’objectif global de cette procédure est de créer un modèle musculo-squelettique spécifique au sujet pour l’analyse de la tension osseuse. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’ingénierie biomédicale, telles que la quantification de la déformation osseuse humaine lors d’un mouvement dynamique. Le principal avantage de cette technique est qu’une approche non invasive est mise en œuvre pour étudier la solidité osseuse lors d’activités physiques dynamiques.

Marisa Loo et Kerstyn Hall, étudiantes diplômées de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer cette procédure, effectuez une tomodensitométrie et une mesure anthropométrique sur le sujet. Après cela, placez des marqueurs réfléchissants de 14 mm sur le corps des participants, comme indiqué dans le protocole de texte.

Placez des assiettes en plastique semi-rigide avec quatre grappes de marqueurs sur les cuisses et les tiges des participants. Après avoir entré les informations des sujets dans le programme de capture de mouvement, demandez-leur de se tenir immobiles au centre de la pièce calibrée, les pieds écartés de la largeur des épaules. Ensuite, demandez-leur d’étendre leurs membres supérieurs latéralement afin que tous les marqueurs réfléchissants soient bien exposés aux caméras.

Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet des outils, cliquez sur l’onglet Préparation du sujet. Dans la section Capture du sujet, cliquez sur Démarrer pour enregistrer une épreuve de mouvement de trois secondes qui sera l’épreuve d’étalonnage statique. Pour commencer à déterminer le centre fonctionnel de l’articulation de la hanche, demandez au participant de se tenir debout sur une jambe tout en étendant complètement l’autre jambe légèrement vers l’avant.

Demandez au participant de déplacer la jambe étendue autour de l’articulation de la hanche vers l’avant et de revenir au neutre. Antérieur latéralement et retour au neutre. Et puis latéralement et retour au neutre.

Après cela, demandez au participant de déplacer la même jambe autour de l’articulation de la hanche postérieurement latéralement et de revenir au neutre. Postérieurement et revenir au neutre. Et puis dans un mouvement de circumduction.

Dans la fenêtre principale du programme, ouvrez le volet Outils, cliquez sur l’onglet Capture, puis dans la section Capture, cliquez sur Démarrer pour enregistrer une épreuve de mouvement pour chaque mouvement fonctionnel de la hanche. Pour commencer à déterminer le centre fonctionnel de l’articulation du genou, demandez au participant de se tenir debout sur une jambe tout en maintenant une hyperextension de la hanche de 30 degrés de l’autre jambe. Ensuite, demandez au participant d’effectuer une flexion du genou à 45 degrés avec la jambe non porteuse.

Demandez-leur de répéter cette opération cinq fois. Dans la section Capture du volet Outils, cliquez sur Démarrer pour enregistrer un essai de mouvement pour chaque mouvement fonctionnel du genou. Placez la boîte en bois réglable en hauteur sur une zone du sol recouverte d’un tapis en caoutchouc, en vous assurant qu’elle se trouve à environ 11 cm des bords des plaques de force.

Ensuite, demandez au participant de se tenir sur le dessus de la boîte. Demandez au participant d’étendre son pied dominant directement devant la boîte, puis demandez-lui de déplacer son poids vers l’avant et de descendre de la boîte. Les deux jambes du participant doivent atterrir sur le sol en même temps, chaque pied frappant une plaque de force distincte, demandez au participant de rester debout jusqu’à ce que la capture de mouvement de l’essai soit terminée.

Répétez la capture de mouvement trois fois pour collecter trois essais de mouvement pour chaque hauteur. Tout d’abord, ouvrez un logiciel de capture de mouvement. Dans la fenêtre principale, allez dans le volet des communications, cliquez sur l’onglet Gestion des données et sélectionnez l’un des procès enregistrés.

Ouvrez les données d’essai dans le programme. Dans le volet Outils, cliquez sur l’onglet Pipeline. Dans la liste actuelle des pipelines, sélectionnez le pipeline de reconstruction, cliquez sur le bouton Exécuter pour lancer le processus de reconstruction afin d’obtenir des trajectoires tridimensionnelles des marqueurs réfléchissants.

Accédez au volet Outils et cliquez sur l’onglet d’édition de l’étiquette, dans la section d’étiquetage manuel, sélectionnez les noms des marqueurs individuels et étiquetez les trajectoires 3D correspondantes. Une fois l’étiquetage terminé, cliquez sur le bouton d’enregistrement dans la barre d’outils. Pour commencer à créer un modèle squelettique du bas du corps, ouvrez le logiciel de simulation dynamique multicorps sur lequel le plug-in de modélisation du corps humain est installé.

Sur l’écran de démarrage, double-cliquez sur l’icône du nouveau modèle pour ouvrir le panneau de contrôle de la construction du modèle, dans la section bibliothèque de base de données anthropométrique du panneau de modélisation principal, choisissez le corps générique dans la liste déroulante, spécifiez la masse corporelle, la taille du corps, le sexe et l’âge. Dans la section de configuration du corps du panneau de modélisation principal, cliquez sur le bouton radio du bas du corps, dans la liste déroulante des unités, sélectionnez mm, kg, Newton ; Cliquez sur le bouton Appliquer dans la section Créer une table de mesures corporelles pour accepter les mesures corporelles. Continuez à cliquer sur le bouton Appliquer dans la section Créer un segment humain pour créer un modèle de base squelettique du bas du corps.

Pour commencer à modéliser les articulations inférieures du corps, ouvrez la liste déroulante du menu principal dans le panneau de modélisation principal et sélectionnez Articulations pour ouvrir le panneau de configuration des articulations. Dans la section Élément de rotation de liaison du panneau de configuration de l’articulation, cliquez sur le bouton Suivre pour préparer le modèle avec l’enregistrement des articulations. Dans la section des propriétés des amortisseurs à ressort et des limites de joint, entrez les paramètres de rigidité nominale du joint, d’amortissement nominal du joint et de rigidité de butée de joint, comme indiqué ici.

Continuez à sélectionner la jambe gauche et la jambe droite en cochant les cases d’option correspondantes, cliquez sur le bouton Appliquer pour accepter les configurations d’articulation. Après cela, ouvrez la liste déroulante du menu principal dans le panneau de modélisation principal et sélectionnez flux de travail, dans la liste déroulante des sous-menus, sélectionnez la démarche et calibrez, dans la section des données du centre articulaire, entrez le fichier du centre articulaire du bas du corps des participants. Cliquez ensuite sur le bouton de charge pour importer les données et modifier les emplacements des centres de joints, dans la section d’essai statique de charge, entrez l’essai de capture de mouvement d’étalonnage statique.

Cliquez sur le bouton de chargement pour importer le fichier et paramétrer le modèle squelettique du bas du corps. Pour commencer à modéliser les muscles squelettiques, ouvrez le menu déroulant principal dans le panneau de modélisation principal et sélectionnez les tissus mous, après cela, ouvrez le sous-menu déroulant et sélectionnez créer un ensemble de tissus de base. Dans la section Élément de tuile de contrat musculaire, cliquez sur Préparer le modèle avec l’enregistrement des éléments musculaires.

Ensuite, dans la section des propriétés musculaires de l’élément d’enregistrement global, cliquez sur le bouton radio correspondant à l’ensemble de 45 muscles mis à jour, puis acceptez les paramètres par défaut pour les propriétés musculaires comme indiqué ici. Vérifiez les boutons radio de la jambe gauche et de la jambe droite pour les affectations musculaires, puis cliquez sur le bouton Appliquer pour accepter les configurations. Dans cette étude, une méthode non invasive est utilisée pour déterminer la déformation du tibia lors d’activités à fort impact.

La précision de la simulation dynamique vers l’avant est vérifiée en comparant les angles d’articulation de la partie inférieure du corps de la simulation aux angles d’articulation correspondants, tels que mesurés pour les données de capture de mouvement. Ces comparaisons sont effectuées pour l’angle de la cheville, l’angle du genou et l’angle de la hanche aux trois hauteurs de chute où les lignes verticales représentent les moments d’impact. Comme on peut le voir, les données de simulation et expérimentales sont largement d’accord, ce qui démontre que la simulation elle-même a un haut degré de précision.

Un logiciel d’analyse statistique est ensuite utilisé pour calculer les coefficients de corrélation croisée entre les angles d’articulation expérimentaux et de simulation avec un décalage nul. Les déformations maximales dans la région antéro-médiale de la diaphyse tibiale médiane sont enregistrées pendant que le sujet atterrit à partir de trois hauteurs différentes. La condition d’atterrissage de 52 cm montre les déformations de cisaillement maximales les plus importantes, les plus importantes et les plus grandes déformations de cisaillement maximales.

On observe également que les déformations principales maximales maximales augmentent à mesure que la hauteur de chute augmente. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’ingénierie biomédicale, pour explorer les mécanismes des lésions de stress osseux chez les athlètes et les stagiaires militaires.