Modello muscoloscheletrico specialistici per lo studio della deformazione dell'osso durante il movimento dinamico

Sommario

Durante l'atterraggio, le ossa della parte inferiore del corpo esperienza grandi carichi meccanici e deformate. È essenziale per misurare la deformazione dell'osso per comprendere meglio i meccanismi delle lesioni da stress dell'osso connesse con impatti. Un nuovo approccio di integrazione oggetto specifico muscoloscheletrici modellazione e analisi agli elementi finiti è utilizzato per misurare la deformazione tibiale durante movimenti dinamici.

Abstract

Lesioni da stress dell'osso sono comuni negli sport e corsi di formazione militare. Le forze di impatto di terra grande ripetitivo durante l'allenamento potrebbero essere la causa. È essenziale per determinare l'effetto del terreno alto impatto le forze sulla deformazione ossea inferiore del corpo per capire meglio i meccanismi delle lesioni da stress dell'osso. Misura convenzionale dell'estensimetro è stato utilizzato per studiare in vivo deformazione tibia. Questo metodo è associato con limitazioni tra cui invasività della procedura, il coinvolgimento di alcuni soggetti umani e dati di deformazione limitata da aree di superficie di piccolo osso. Il presente studio intende introdurre un nuovo approccio per lo studio di deformazione dell'osso tibia sotto condizioni di carico elevato di impatto. Un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico è stato creato per rappresentare un maschio in buona salute (19 anni, 80 kg, 1.800 mm). Un modello di tibia flessibile agli elementi finiti è stato creato basato su un'esplorazione di tomografia computata (CT) della tibia destra del soggetto. Cattura del movimento di laboratorio è stato effettuato per ottenere forze di reazione di cinematica e terra di goccia-atterraggi da diverse altezze (26, 39, 52 cm). Simulazioni al computer dinamica multicorpo combinate con un'analisi modale della tibia flessibile sono state effettuate per quantificare il ceppo tibia durante goccia-atterraggi. Dati di deformazione calcolata tibia erano in buon accordo con gli studi precedenti in vivo . È evidente che questo approccio non invasivo può essere applicato per studiare il ceppo dell'osso tibia durante attività ad alto impatto per un grande gruppo, che porterà a una migliore comprensione del meccanismo di lesione del tibia fratture da stress.

Introduzione

Lesioni da stress dell'osso, come fratture da stress, sono gravi esagera le lesioni che richiedono lunghi periodi di recupero e incorrere in costi per assistenza medica significativa^1,2. Fratture da stress sono comuni sia in popolazioni atletici e militare. Tra tutte le lesioni sportive correlate, conto di fratture da stress per il 10% del totale³. In particolare, traccia atleti affrontano un più alto tasso di infortuni alle 20%⁴. Soldati anche esperienza un alto tasso di fratture da stress. Per esempio, un tasso di infortuni di 6% è stato segnalato per l' esercito degli Stati Uniti¹ e un tasso di infortuni 31% è stato segnalato in esercito israeliano⁵. Tra tutti i segnalati fratture da stress, frattura di sforzo della tibia è il più comune si^6,7,8.

Sport e corsi di formazione fisica con un elevato rischio di frattura di sforzo della tibia sono normalmente associati con impatti terra alta (ad es., jumping, atterraggio e taglio). Durante la locomozione, viene applicata una forza di impatto di terra al corpo quando il piede in contatto con la terra. Questa forza di impatto viene dissipata dal sistema muscolo-scheletrico e calzature. Il sistema scheletrico serve come una serie di leve che permette ai muscoli di applicare forze di assorbire l' impatto di terra⁹. Quando i muscoli delle gambe non possono ridurre adeguatamente l'impatto al suolo, le ossa della parte inferiore del corpo devono assorbire la forza residua. Struttura ossea sperimenteranno deformazione durante questo processo. Ripetitiva assorbimento della forza di impatto residuo può causare microdamages nell'osso, che si accumulano e diventano fratture da stress. Ad oggi, informazioni relative all'osso reazione a forze di impatto al suolo esterno è limitato. È importante studiare come l'osso di tibia risponde al carico meccanico introdotto da forze di impatto elevato durante movimenti dinamici. Esaminando la deformazione dell'osso tibia durante attività ad alto impatto potrebbe portare a una migliore comprensione del meccanismo di frattura di sforzo della tibia.

Tecniche convenzionali utilizzate per misurare la deformazione dell'osso in vivo si basano su instrumentata estensimetri^{10,11,12,13,14,15}. Le procedure chirurgiche sono necessari per impiantare estensimetri sulla superficie dell'osso. A causa della natura invasiva, in vivo gli studi sono limitati da un piccolo campione di volontari. Inoltre, l'estensimetro può monitorare solo una piccola regione della superficie dell'osso. Recentemente, un metodo non invasivo che utilizza simulazione al computer per analizzare la deformazione dell'osso è stato introdotto^16,17. Questa metodologia consente per la capacità di combinare muscoloscheletrici modellazione e simulazioni computazionali per lo studio dell'osso ceppo durante il movimento umano.

Un modello muscolo-scheletrico è rappresentato da uno scheletro e muscoli scheletrici. Lo scheletro è costituito da segmenti ossei, che sono corpi rigidi o indeformabile. I muscoli scheletrici sono modellati come controller utilizzando l'algoritmo di progressiva-integrale-derivato (PID). Il controllo di PID di tre-termine utilizza gli errori nella stima per migliorare la precisione di uscita¹⁸. In sostanza, regolatori PID, che rappresentano i muscoli tenta di duplicare i movimenti del corpo attraverso lo sviluppo di forze necessarie per produrre i cambiamenti di lunghezza dei muscoli nel corso del tempo. Il regolatore PID utilizza l'errore nella curva di lunghezza/tempo per modificare la forza per riprodurre il movimento. Questo processo di simulazione crea una soluzione fattibile per coordinare tutti i muscoli a lavorare insieme per spostare lo scheletro e produrre il movimento del corpo.

Uno o più segmenti nello scheletro del modello muscolo-scheletrico possono essere modellati come corpi flessibili che consentono la misurazione della deformazione. Per esempio, l'osso di tibia può essere suddiviso in un numero limitato di elementi, che consiste di migliaia di elementi e nodi. L'effetto del carico meccanico sulla tibia flessibile può essere esaminato tramite analisi agli elementi finiti (FE). L'analisi di FE calcola la risposta di caricamento dei singoli elementi nel tempo. Come il numero di aumento di elementi e nodi di osso, aumenterà significativamente il tempo di calcolo dell'analisi FE.

Per ridurre il costo computazionale con valutazione accurata della deformazione dei corpi flessibili, analisi modale di FE è stato sviluppato e utilizzato all'interno del settore automobilistico e aerospaziale^19,20. Invece di analizzare le risposte dei singoli elementi di FE al carico meccanico nel dominio del tempo, questa procedura valuta le risposte meccaniche di un oggetto basate su diverse frequenze vibrazionali nel dominio della frequenza. Questo metodo comporta una riduzione significativa del tempo di calcolo, fornendo una misurazione accurata della deformazione²⁰. Anche se l'analisi modale di FE è stato ampiamente utilizzato per studiare la meccanica a fatica nei settori automobilistici e aerospaziale, l'applicazione di questo metodo è stato molto limitato nella scienza del movimento umano. Al Nazer et al., usato un'analisi modale di FE per esaminare tibial deformazione durante l'andatura umana ed ha segnalato incoraggianti risultati^16,17. Tuttavia, il loro metodo è stato notevolmente influenzato utilizzando solo dati limitati cinematici da un esperimento di guidare le simulazioni al computer; Non c'erano nessuna reale utilizzate per le simulazioni di assistere le forze di impatto a terra. Questo approccio può essere ragionevole per studiare i movimenti lenti di basso impatto come camminare, ma non si tratta di una soluzione fattibile per studiare i movimenti di terra alto impatto. Così, al fine di esaminare le reazioni dell'osso inferiore del corpo durante le attività dinamiche ad alto impatto, è essenziale sviluppare un approccio innovativo per affrontare le limitazioni associate al metodo precedentemente segnalato. In particolare, un metodo che utilizza dati cinematici sperimentali accurati e reali forze di impatto al suolo devono essere sviluppate. Pertanto, l'obiettivo di questo studio era di sviluppare un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico per eseguire simulazioni di dinamica multicorpo con analisi modale di FE per esaminare tibial ceppo durante attività ad alto impatto. Un movimento dinamico ad alto impatto rappresentato dalla goccia-atterraggi da diverse altezze è stato selezionato il metodo di prova.

Protocollo

L'esperimento è stato condotto sotto la dichiarazione di Helsinki. Prima della raccolta di dati, il soggetto esaminato e firmato il modulo di consenso approvato dalla University Institutional Review Board prima di partecipare allo studio.

1. CT Imaging Protocol

1. Prendere il partecipante ad un impianto dove è alloggiato uno scanner CT. Prima dell'esplorazione di CT, configurare la macchina di CT con i seguenti parametri: spessore fetta CT di 0,625 mm, campo visivo di 15 cm x 15 cm e auto-impostazione parametri di chilo-tensione di picco (kVp) e milliampere-secondi (mAs) utilizzando l'algoritmo di macchina CT.
2. Chiedere al partecipante di mentire su una tabella che scivola in un anello nello scanner CT. Chiedere al partecipante di rimanere molto ancora durante l'esplorazione di CT. Eseguire la scansione ogni gamba separatamente da calcaneus attraverso l'estremità distale del femore.
3. Al termine della scansione CT, esportare le immagini di CT in un imaging digitale e comunicazione in medicina (DICOM) formato. Scegliere le dimensioni di un'immagine di 512 x 512 pixel (scala di grigi).
   Nota: Il protocollo di formazione immagine di CT normalmente dura meno di 1 h. La dose di radiazioni è minima. Esso non presenta alcun rischio maggiore di quello rilevato durante normali procedure mediche a raggi x.

2. protocollo di misurazione antropometrica

1. Durante la visita del laboratorio, prima della cattura del movimento, misurare la massa del corpo del partecipante (kg), altezza (mm), distanza tra le spine iliache anteriori-superior (Francesco) (mm), lunghezza delle gambe (mm), Larghezza (mm) del giunto di ginocchio e larghezza (mm) del giunto di caviglia.
2. Inter misurazione della distanza ASIS: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra l'ASIS sinistra e destra ASIS.
3. Misura della lunghezza della gamba: utilizzare un nastro misura per misura la distanza lineare l'ASIS ed il malleolo mediale per entrambe le gambe.
4. Misura di larghezza del giunto del ginocchio: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra i condili laterale e mediale del femore per entrambe le ginocchia.
5. Misura di larghezza del giunto di caviglia: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra il malleolo laterale e mediale per entrambe le gambe.
   Nota: La distanza ASIS inter, larghezza gamba lunghezza, ginocchio e caviglia sono utilizzati per costruire un modello di oggetto in un software di biomeccanica (Vedi Tabella materiali) per eseguire calcoli cinematici e cinetici.

3. motion Capture Protocol

Nota: Vedi Tabella materiali per tutti i software e gli strumenti utilizzati.

1. Posizionamento dei marcatori riflettenti
   1. Posizionare marcatori riflettenti-14mm sul corpo del partecipante presso i seguenti punti di riferimento anatomici ossute: processi acromion, giunti sternoclavicular, base dello sterno, processo posteriore del 10^th vertebre toraciche, Francesco, posteriore-superiore iliaca spine (PSISs), 1,5 cm sopra le linee congiunte laterale del ginocchio, 1,5 cm sopra le linee congiunte ginocchio mediale, laterale malleoli, malleoli mediali, posteriore tacchi, basi dei metatarsi secondo e basi del quinto metatarso.
   2. Posto piatti di plastica semi-rigide con cluster di 4-marcatore su cosce e stinchi, rispettivamente.
      Nota: Per un migliore risultato di cattura del movimento, il partecipante è consigliato per essere a piedi nudi e indossare indumenti attillati. Inoltre, la procedura di posizionamento del marcatore segue un protocollo modificato "Plug-in-Gait"²¹. Un totale di 39 marcatori riflettenti sono utilizzati per il motion capture e 34 di loro sono attaccati alla parte inferiore del corpo.
2. Istruire il partecipante per riscaldarsi a piedi su una pedana mobile motorizzata ad una velocità auto-selezionata per 5 min.
3. Calibrazione di spazio in camera per la procedura di acquisizione del movimento
   1. Forza di accendere il sistema di motion capture (12 telecamere infrarossi ad alta velocità) e due piastre. Aprire un programma di software di motion capture. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Risorse'. Fare clic sulla scheda "Sistema" Configura la frequenza di fotocamera a 200 Hz e forzare la frequenza di targa a 2.000 Hz.
   2. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Strumenti'. Fare clic sul pulsante "Preparazione di sistema". Fare clic su "Calibra telecamere". Cliccare su "Start". Chiedere un personale ricerca di una bacchetta di taratura standard 5-marcatore per eseguire una calibrazione dinamica all'interno dello spazio della camera dove i movimenti di goccia-atterraggio devono essere eseguite. Fare clic su "Stop" dopo 5 s di bacchetta dati sono stati acquisiti.
   3. Inserire la bacchetta di calibrazione sul pavimento per allineare con un angolo di un piatto della forza al fine di specificare un percorso di riferimento (origine) per lo spazio calibrato. Fare clic su "Imposta Volume origine" all'interno del riquadro strumenti di 'Preparazione sistema'.
4. Preparazione partecipante nel programma software di motion capture
   1. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Risorse'. Fare clic sulla scheda "Soggetto", fare clic sul pulsante "Crea un nuovo soggetto da uno scheletro di etichettatura". Selezionare un modello di etichettatura da un elenco di file di modello fornito.
   2. Nella finestra 'proprietà', immettere il nome del soggetto e valori di massa corporea (kg), altezza (mm), distanza inter-ASIS (mm), lunghezza gamba sinistra e destra (mm), al ginocchio destro e sinistro larghezza (mm) e larghezza caviglia destra e sinistra (mm). Nel riquadro 'Oggetto Resources', tasto destro del mouse il nome del soggetto e fare clic su "Salva oggetto".
5. Registrare una posa di calibrazione statica corpo
   1. Chiedere al partecipante di stare immobile nel mezzo della camera calibrata con piedi larghezza delle spalle durante l'estensione dell'arto superiore lateralmente affinché tutti i marcatori riflettenti sul corpo sono ben esposte alle telecamere.
   2. Nella finestra principale del programma, aprire il riquadro strumenti. Fare clic sulla scheda "Oggetto preparazione". Nella sezione oggetto Capture, cliccare su "Start" per registrare un movimento 3-s prova ad essere la prova di calibrazione statica.
6. Procedura di determinazione funzionale centri congiunte
   1. Centro funzionale dell'anca
      1. Chiedere al partecipante di stare con una gamba sola ed estendere completamente l'altra gamba leggermente in avanti. Istruire il partecipante per spostare la gamba estesa intorno all'articolazione dell'anca nella seguente sequenza: spostare anteriormente e tornare in folle, spostare anteriore-laterale e tornare in folle, spostare lateralmente e tornare in folle, spostamento posteriore-laterale e tornare al neutro, spostare posteriormente e tornare al neutro e un movimento di circonduzione.
      2. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Cattura". Nella sezione Capture, fare clic su "Start" per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionale dell'anca.
   2. Centro congiunto di funzionali per il ginocchio
      1. Chiedere al partecipante di stare con una gamba e mantenere una 30° iper-estensione di anca dell'altra gamba. Indicare al partecipante di eseguire una flessione del ginocchio di 45° con la gamba di cuscinetto non-peso per 5 volte.
      2. Nella sezione 'Capture' del riquadro 'Strumenti', fare clic su "Start" per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionali per il ginocchio.
         Nota: Per i dettagli della procedura congiunta funzionale, vedere Schwarz, et al. ²²
7. Cattura del movimento dei movimenti di goccia-atterraggio
   1. Randomizzare l'ordine di utilizzo di tre diverse altezze di goccia-atterraggio (cm 26, 39 cm e 52 cm)¹⁴.
   2. Posto l'altezza regolata scatola di legno con una superficie superiore di 50 x 50 cm² sul pavimento coperto da un tappetino in gomma. La scatola di legno è 11 cm dai bordi delle piastre forza. Chiedere al partecipante di stare sulla superficie della scatola.
   3. Istruire il partecipante per estendere il loro piede dominante direttamente davanti alla casella e spostare il loro peso in avanti e passo fuori dalla scatola. Chiedere al partecipante di terra con entrambe le gambe a terra allo stesso tempo con ogni piede su un piatto di forza separata.
   4. Chiedere al partecipante di rimanere in piedi fino a quando il motion capture del processo è completato. Ripetere il motion capture tre volte per raccogliere tre prove di movimento per ogni altezza.
8. Elaborazione dei dati di motion capture
   1. Aprire un programma di software di motion capture. All'interno della finestra principale del programma, vai al riquadro 'Communications'. Fare clic sulla scheda "Gestione dati" selezionare una delle prove registrate movimento e aprirlo nel programma.
   2. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Pipeline". Dall'elenco 'Pipeline corrente', selezionare la pipeline di "Ricostruire". Fare clic sul pulsante "Esegui" per avviare il processo di ricostruzione per ottenere tre dimensioni (3D) traiettorie dei marcatori riflettenti.
   3. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Etichetta/modifica". Nella sezione 'Etichettatura manuale', selezionare i nomi dei singoli marker ed etichettare le traiettorie 3D corrispondente. Fare clic su "Salva" pulsante della barra degli strumenti quando l'etichettatura è completato.
   4. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Pipeline". Nella sezione "Operazioni disponibili", selezionare "Esporta documento". Fare doppio clic su "Export C3D pipeline". Fare clic sul pulsante "Esegui" per esportare la prova di movimento trasformati in un file in un formato di coordinate tridimensionale (C3D).
9. Analisi biomeccanica dei dati di motion capture
   1. Aprire un programma di software di biomeccanica per ulteriore processo i dati di cattura del movimento. Dal menu superiore, fare clic su "File" e fare clic sul pulsante "Apri/Aggiungi". Selezionare i file raw C3D per importare nel programma software biomeccanica.
   2. Dal menu superiore, fare clic su "Modello". Fare clic su "creare (aggiungere File di calibrazione statica)". Dal sottomenu, selezionare "Modello ibrido da C3DFile". Selezionare e aprire il file C3D Calibratura statica.
   3. Dal menu superiore, fare clic su "Modello". Dall'elenco a discesa, fare clic su "Applica modello modello". Selezionare e aprire un file di modello di modello. Fare clic sulla scheda "Modelli" sulla barra degli strumenti. Fare clic sulla scheda "Subject Data / Metrics". All'interno della finestra 'Oggetto dati', modificare i valori di 'Massa' e 'Altezza' per rendere il modello di oggetto specifico.
   4. Fare clic sulla scheda "Modelli" sulla barra degli strumenti. Fare clic sul pulsante "Modello generatore avanzato Post Processing" della barra dei menu in alto. Nella finestra a comparsa "Modello generatore avanzato Post elaborazione di", fare clic sulla scheda "Articolazioni funzionali" selezionare "Aggiungi movimento File da area di lavoro".
   5. Selezionare i file funzionale centro congiunto C3D. Evidenziare un file comune funzionale importato. Evidenziare un'articolazione funzionale corrispondente al file. Utilizzare la "Impostare avviare Frame a Frame corrente" e "Set fine fotogramma a fotogramma corrente" per selezionare le porzioni adeguate del moto trial. Fare clic sul pulsante "Calcolo controllato Landmarks". Ripetere questo processo per calcolare altri centri funzionali congiunte per perfezionare il modello scheletrico.
   6. Fare clic sul pulsante "Modello" sulla barra dei menu in alto. Selezionare "Assegna il modello a file Motion". Nella finestra a comparsa dei "Assegnare modelli di movimento dati", è possibile applicare il modello scheletrico di oggetto specifico a tutte le prove di movimento.
   7. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare il "filtraggio obiettivi Pipeline". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso con frequenza di taglio di 10 Hz su traiettorie 3D delle prove di motion capture.
   8. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare il "filtro Pipeline di forze". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso con frequenza di taglio di 60 Hz su forze di reazione al suolo delle prove di motion capture.
   9. Fare clic sul pulsante "Impostazioni" della barra dei menu in alto. Mettere segni di spunta accanto a "Uso elaborati analoghi per terra reazione forza calcoli" e "Uso elaborati obiettivi per modello/segmento/LinkModelBased elementi".
   10. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Modello di calcolo basato". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire calcoli di cinematica articolare inferiore del corpo e cinetica.
   11. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Esportare C3D coordinate". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per esportare le coordinate 3D trasformate del basso-corpo marcatori visual in un file C3D.
   12. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Esportazione di forze di reazione al suolo". Clicca il pulsante "Eseguire Pipeline" per esportare la reazione del terreno 3D trasformati le forze in un file binario (estensione file: MAT).
       Nota: Per conservare le cime di alto impatto durante gli sbarchi, una frequenza di taglio di 60 Hz viene utilizzata per filtrare la terra cruda reazione forza dati²³.
10. Preparazione dei dati di cattura del movimento per simulazioni al computer
    1. Aprire un computer software di programmazione. Importare il file di dati filtrato C3D e il file di dati MAT.
    2. Esportare un file di testo contenente le coordinate del centro congiunto di parte inferiore del corpo. Convertire il file di dati di C3D e il file di dati MAT in file di testo (estensione file: slf) per l'utilizzo di un programma di simulazione dinamica multicorpo.

4. oggetto di specifiche Procedure di modellazione

1. Creazione modello scheletrico inferiore del corpo
   1. Aprire il multibody programma di software di simulazione dinamica con il corpo umano modellazione plug-in installato. Durante questo processo, il corpo umano modellazione modulo plug-in viene aperto automaticamente. All'interno la schermata iniziale, fare doppio clic sull'icona "Nuovo modello" per aprire il pannello di controllo di compilazione del modello.
   2. All'interno del pannello principale modellazione, nella sezione "Antropometriche Database Library", scegliere il corpo generico (GeBOD) dall'elenco a discesa. All'interno del pannello principale modellazione, specificare la massa corporea (kg), altezza (mm) del corpo, sesso ed età (mesi).
   3. All'interno del pannello principale modellazione, nella sezione "Configurazione del corpo", fare clic su pulsante di opzione "Parte inferiore del corpo". Dall'elenco a discesa "Unità", selezionare "Millimetro chilogrammo Newton". All'interno del pannello principale modellazione, fare clic sul pulsante "Applica" nella sezione "Creare corpo misura tabella" ad accettare le misure del corpo. Continuare a fare clic sul pulsante "Applica" nella sezione "Creare segmenti umano" per creare un modello di base scheletrico inferiore del corpo.
      Nota: Questo modello viene ridimensionata in base su altezza dell'individuo, massa, età e sesso. Il modello è costituito da sette segmenti: un bacino, due cosce, due ancore e due piedini (Figura 1). Tutti i segmenti sono modellati come corpi rigidi.
2. Modellazione articolazioni della parte inferiore del corpo
   1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa menu principale, selezionare "Giunti" per aprire il pannello di configurazione del giunto.
   2. All'interno del pannello di configurazione del giunto, nella sezione "Elementi di rotazione congiunta", fare clic sul pulsante accanto a "Preparare modello con registrazione articolazioni". Nella sezione "Proprietà da ammortizzatori di primavera e con limiti congiunta", inserire i seguenti parametri: rigidità articolare nominale di 1 Nmm / °, smorzamento congiunta nominale di 0,1 Nmm∙s / °, rigidità articolare di smettere di 3.38E7 Nmm / °. Continuare a selezionare "Gamba sinistra" e "destra" selezionando i pulsanti di opzione accanto ai nomi. Fare clic sul pulsante "Applica" per accettare le configurazioni di giunti.
   3. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Workflow". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Andatura" e "Calibra". Nella sezione "Comune centro dati", inserire file centro articolare inferiore del corpo del partecipante.
   4. Fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati per modificare le posizioni dei centri comuni. Nella sezione "Carico statico prova", immettere il processo di cattura del movimento Calibratura statica (nel formato di file di slf, generazione descritta in passi 3.8-3.10). Fare clic sul pulsante "Load" per importare il file per parametrizzare il modello scheletrico del basso-corpo.
      Nota: Per impostazione predefinita, le articolazioni dell'anca sono configurate come giunture sferiche con tre gradi di libertà, giunti di ginocchio sono configurati come revolute giunti con un grado di libertà e giunti di caviglia sono configurati come giunti cardanici con due gradi di libertà.
3. I muscoli scheletrici di modellazione
   1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Tessuti molli". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Crea Base tessuto Set". Nella sezione "Elementi CONTRATTILI del muscolo", fare clic su "Modello di preparare con registrazione muscolo elementi".
   2. Nella sezione "Registrazione elemento muscolo proprietà globali", fare clic sul pulsante radio "Aggiornamento 45 muscolo del Set di".
   3. Nella sezione "Registrazione elemento muscolo proprietà globali", accettare le seguenti impostazioni predefinite per le proprietà del muscolo: rigidezza passiva 0.4448 N/mm, smorzamento passivo di 1.75 E-2 Ns/mm, carico di riposo muscolare di 0.4448 N. Check i pulsanti di opzione della "Gamba sinistra" e "Gamba di destra" per le assegnazioni del muscolo. Fare clic sul pulsante "Applica" per accettare le configurazioni.
      Nota: Il set di muscolo della gamba 45 comprende i seguenti muscoli: adduttore Brevis, Longus adduttore, Magnus adduttore (tre gruppi), capo lungo del bicipite femorale, bicipite femorale testa corta, Digitorum dell'estensore, Hallucis dell'estensore, flessore, Hallucis del flessore, Gastrocnemio, Gemellus, grande gluteo (tre gruppi), glutei Medias (tre gruppi), gluteo Minimis (tre gruppi), Gracilis, tendine del ginocchio, Iliacus, gastrocnemio laterale, gastrocnemio mediale, Pettineo, Peroneus Brevis, Longus di Peroneus, Peroneus Tertius, piriforme, Psoas, quadricipite femorale, retto femorale, Sartorius, semimembranoso, semitendinoso, Soleo, tensore fascia lata, tibiale anteriore, tibiale posteriore, Intermedius di Vastus, Vastus Lateralis, Medialis di Vastus.

5. multi-body Dynamics Simulations

1. Eseguendo la simulazione cinematica inversa
   1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Workflow". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Andatura" e "Prova". Nella sezione "Dati di prova dinamici", immettere il nome file di un processo di cattura del movimento dinamico (nel formato di file di slf) e fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati. Continuare a immettere la forza di reazione del terreno corrispondente file (nel formato di file di slf) di dati e fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati.
   2. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "_Analyze". Eseguite l'analisi Riparametrizza per regolare la postura di modello per abbinare la postura all'inizio della prova dinamica.
   3. Aprire il pannello di simulazione. Disabilitare gli effetti delle forze di reazione di gravità e terra. Scegliere l'intero movimento di prova come la lunghezza della simulazione.
   4. Specificare un passo del tempo di simulazione di 100 passi/s. eseguire una simulazione cinematica inversa guidato dai dati di cattura del movimento. Salvare l'analisi di simulazione cinematica inversa.
2. Creazione di un agente di motion tracking
   1. Aprire il pannello di Motion Tracking agente creazione. Accettare il nome predefinito di tracking: MA_Track.
   2. Impostare la rigidità traslazionale e rotazionale come 10 N/mm e 1.000 Nmm / °, rispettivamente. Impostare lo smorzamento traslazionale e rotazionale di smorzamento come Ns/10mm e 1.000 NMM / °, rispettivamente. Impostare tutti i gradi di libertà traslazionali e rotazionali come Driven.
   3. Nota. Come solo il modello della parte inferiore del corpo è usato per la simulazione dinamica in avanti, un Tracciatore movimento è necessario tener conto dell'instabilità a causa della mancanza di movimento della parte superiore del corpo.
3. Muscoli delle gambe formazione
   1. Aprire il pannello di configurazione di tessuti molli. Scegliere Closed-loop semplice per il modello di muscolo. Impostare i seguenti parametri per il modello muscolare: guadagno proporzionale di 1.0E6, guadagno integrale di 1.0E6 e ottenere il derivato di 1.0E4.
   2. Selezionare l'analisi di simulazione cinematica inversa per essere la destinazione della formazione muscolare. Applicare la formazione del muscolo.
4. L'importazione di una tibia flessibile
   1. Aprire il pannello di importazione corpo flessibile. Eseguire il Mapping dell'allineamento con tre produttori noti e loro nodi corrispondenti sulla superficie della tibia flessibile.
   2. Scegliere la tibia rigida per essere sostituito da tibia flessibile. Selezionare il file MNF che rappresenta la tibia flessibile. Selezionare il file di mapping di attaccamento muscolare per riattaccare i muscoli delle gambe alla tibia flessibile. Importare la tibia flessibile al modello muscolo-scheletrico.
5. Eseguendo la simulazione dinamica in avanti con la tibia flessibile al posto
   1. Aprire il pannello di simulazione. Abilitare gli effetti delle forze di reazione di gravità e terra. Disabilitare gli effetti degli agenti di movimento.
   2. Scegliere di eseguire la simulazione per la lunghezza del moto intera prova. Impostare passo temporale simulazione di 100 passi/s. Esegui una simulazione dinamica avanti guidato da muscoli allenati. Salvare l'analisi dinamica in avanti.

6. creazione di un modello flessibile di Tibia

1. Creazione di un modello 3D mesh di superficie
   1. Aprire un programma di elaborazione di immagini. Fette di CT di importazione nel formato DICOM. Creare una maschera utilizzando il metodo crescente regione per separare il tessuto osseo ai tessuti molli circostanti.
   2. Ricerca per fette di CT dove sono collegati la tibia ed il perone. Separare la tibia ed il perone cancellando la maschera lungo la congiunzione delle due ossa.
   3. Creare una seconda maschera utilizzando il metodo di coltivazione di regione per includere solo l'osso della tibia. Passare attraverso le fette di CT per scoprire cavità esistenti nella maschera di tibia. Riempire le cavità nella maschera. Creare un oggetto 3D tibia basato sulla maschera di tibia. Esportare l'oggetto 3D tibia come file in formato di interscambio di disegno (DXF).
2. Creazione di un modello di tibia di elementi finiti
   1. Aprire un programma di software di analisi FE. Importare il file di modello 3D tibia con l'estensione DXF.
   2. Eseguire il comando Sweep per rimuovere gli elementi duplicati e nodi. Eseguire il comando Volume Mesh per creare un modello di tibia FE con elementi esagonali di 3 mm x 3 mm x 3 mm. assegnare le seguenti proprietà del materiale a tutti gli elementi: modulo di Young di 17 GPa, coefficiente di Poisson di 0,3 e densità di 1.9 e-6 Kg/cm³.
      Nota: La proprietà del materiale sono assegnate a ogni elemento con il presupposto che il tessuto osseo è isotropo all'interno delle gamme del ceppo sperimentato dall'osso durante movimenti dinamici^24,25,26.
3. Creazione di un modello flessibile di tibia
   1. All'interno del pannello di controllo principale, fare clic sulla scheda "Geometria & Mesh" Select "geometria & Mesh". Nella finestra pop-up "Geometria & Mesh", nella sezione "Rete", fare clic su "Aggiungere nodi" per creare due nuovi nodi per rappresentare i centri delle articolazioni del ginocchio e della caviglia.
   2. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Links" selezionare RBE2. Nella finestra pop-up di RBE2, creare connessioni di collegamento di elemento di tipo corpo rigido 2 (RBE2) tra i nodi congiunti e superficie sulle superfici del ginocchio e della caviglia.
   3. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Condizioni al contorno". Nella sezione "Condizioni al contorno", fare clic sul pulsante "New". Selezionare "DOF_Set nodi". Nella finestra pop-up di "Condizioni al contorno di proprietà", è necessario creare una condizione al contorno mediante l'assegnazione di sei gradi di libertà a ciascuno dei due nodi congiunti RBE2.
   4. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Loadcases". Nella sezione "Loadcases", "Nuovo", selezionare "Craig Adams-Bampton"¹⁹. Nella finestra pop-up "Proprietà Loadcase", fare clic su "Nodi DOF-Set". Selezionare il dofset_nodes creato nel passaggio precedente.
   5. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Processi". Nella sezione "Offerte di lavoro", fare clic su "Nuovo". Selezionare "Strutturale". Nella finestra "Proprietà del lavoro" a comparsa, selezionare il loadcase creato nel passaggio precedente. Fare clic sul pulsante "Risultati del processo". Nella finestra pop-up di "Risultati", selezionare "Stress" e "Ceppo". Selezionare anche "Chilogrammo" per la massa, "Newton" per forza, "Millimetro" per lunghezza e la "Seconda" per tempo. Fare clic sul pulsante "Esegui".
   6. Nella finestra a comparsa "Esegui processo", fare clic sul pulsante "Invia" per inviare il lavoro per una simulazione di FE e per creare il file neutro modale (MNF) della tibia¹⁶.

7. analisi dei dati ceppo

1. Esportazione dati di deformazione dell'osso
   1. Aprire il post processore del programma di simulazione multicorpo. Caricare il programma plug-in durevolezza.
   2. Aprire la simulazione con la tibia flessibile cliccando il nome di simulazione. Esportare i ceppi principali minimi e massimi e deformazione di taglio massima dei nodi che rappresentano l'aspetto antero-mediale della diafisi metà-tibiale.
2. L'elaborazione dei dati grezzi ceppo
   1. Aprire un computer software di programmazione per l'elaborazione dati. Importare dati di deformazione crudo. Applicare un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso per i dati raw con una frequenza di taglio di 15 Hz.

Risultati

Un sano maschio caucasico (19 anni, altezza 1800 mm, massa 80 kg) si offrì volontario per lo studio. Prima della raccolta di dati, il soggetto esaminato e firmato il modulo di consenso approvato dalla University Institutional Review Board prima di partecipare allo studio. L'esperimento è stato condotto sotto la dichiarazione di Helsinki. L'esperimento è stato eseguito in base il seguente protocollo.

Al fine di verificare l'accur...

Discussione

Lo scopo di questo studio era di sviluppare un metodo non invasivo per determinare la deformazione della tibia durante attività ad alto impatto. Quantificazione del ceppo di tibia a causa del carico di impatto porterà ad una migliore comprensione della frattura di sforzo della tibia. In questo studio, è stato sviluppato un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico e simulazioni al computer sono state eseguite per duplicare i movimenti di goccia-atterraggio eseguiti in un ambiente di laboratorio. È stato esaminato ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Scanner CT	GE Medical System	N/A	Velocità della luce VCT. Per eseguire la TAC della tibia.
Sistema di Motion Capture	Vicon Inc	N/A	Telecamere ad alta velocità Vicon FX40. Per l'esecuzione di motion capture 3D.
Piastre di forza	AMTI Inc	N/A	Raccolta delle forze di reazione al suolo 3D
Vicon Nexus	Vicon Inc	N/A	Programma software di motion capture. Per l'elaborazione dei dati visivi della traiettoria del marcatore.
Visual 3D	C-Motion Inc	N/A Software	di analisi biomeccanica. Per il calcolo della cinematica 3D e della cinetica dei movimenti umani.
MATLAB	Mathworks Inc	N/A Software	di programmazione informatica. Per l'esecuzione di filtri, conversione ed elaborazione di dati non elaborati.
ADAMS 2012	MSC Software Inc	N/A Programma di	simulazione dinamica al computer multicorpo.
LifeMOD	Lifemodeler Inc	N/A	Un plug-in software in ADAMS. Per la costruzione di modelli muscolo-scheletrici del corpo umano.
MIMICS 13	Materialise Inc	N/A Programma	di elaborazione delle immagini. Uno strumento di modellazione 3D per elaborare i dati di imaging. Per la creazione di modelli 3D di tibia da scansioni TC.
MARC 2012	MSC Software Inc	N/A	Software di analisi agli elementi finiti. Per l'esecuzione della mesh dei volumi, la generazione di un modello FE della tibia e l'esecuzione dell'analisi FE modale.
SPSS 19	IBM Inc	N/A	Software di analisi statistica.